内水渗透作用下引水隧洞稳定分析

摘要：水利工程中，不衬砌有压引水隧洞是常用的一种水利建筑物，其在运行期间，内水压力作用会对隧洞拱顶产生上抬力，并会在隧洞围岩内产生渗流场，改变洞室周边的应力场状态，加会降低围岩体的稳定状况，影响隧洞正常的运行。因此，要使不衬砌有压引水隧洞保持稳定，必须保证隧洞有足够的埋深，且要保证隧洞围岩内的渗流场的作用不至于造成围岩体的破坏。本文从有压引水隧洞最小覆盖厚度的准则、有压内水渗流场及围岩稳定分析等几个方面入手，对内水渗透作用下引水隧洞稳定进行了分析。

关键词：衬砌；隧洞；渗流；稳定性

1前言

水利工程建设过程中，常因蓄水发电的需要而开挖引水隧洞。在地质条件容许的情况下，这些隧洞常常不施加衬砌。在洞内充水运行期间，水的顶托力、渗透等不利作用常常会造成隧洞围岩失稳定，因此，需要了解内水渗透作用下引水隧洞围岩稳定状况进行分析，借以促进施工工作的有序开展。

2现有的确定有压引水隧洞最小覆盖厚度的准则

由相关文献可知，目前确定有压引水隧洞岩体覆盖厚度的方法主要有抗抬准则、水力劈裂准则和围岩应力场最小主应力准则。

2.1抗抬准则

抗抬准则是经验准则，其原理是要求压力隧洞洞身部位上覆岩体重量不小于作用于洞身围岩面积上的垂直扬压力。国际现行通用的抗抬准则有雪山准则和挪威准则。

2.1.1 雪山准则

设隧洞跨度为2r0，洞轴线埋深为H，?酌?棕为水的容重，?酌d为岩体的容重，洞内水头为h，则有：

式中：F为安全系数，《水工隧洞设计规范》中规定为1.1

2.1.2 挪威准则

1970年，挪威对陡倾地表下压力隧洞最小覆盖厚度条件，用洞室周边最小埋深代替岩体垂直覆盖厚度，提出下列准则：

式中：?茁为山坡最小岩体覆盖面坡角，?茁>45°时取45°。第一个公式实际上是第二个公式的特殊形式而已。

2.2 水力劈裂准则

完整岩体透水性微弱，岩体渗流主要发生在裂隙或节理中。隧洞开挖后，总存在与隧洞周边相交的裂隙、节理。设与隧洞相交裂隙的法向应力为?滓n，显然，若?酌?棕h>?滓n，则在压力水的作用下，裂隙法向应力将变为拉应力，裂隙张开，此即为水力劈裂。

2.3 围岩应力场最小主应力准则

围岩裂隙产状是随机的，在成洞过程中无法控制。为了能够防止水力劈裂，1972年，挪威德窿汉姆大学提出了最小主应力准则，即不衬砌压力隧洞的内水作用力应小于围岩初试应力场最小主应力，表达式为： 。式中：?滓1min为隧洞围岩初始应力场最小主应力，F为安全系数。

但考虑到隧洞在开挖后，围岩初始应力场要重新分布为二次应力场，设二次应力场中的最小主应力为?滓2min，并注意到有可能出现?滓2min

3有压引水隧洞最小覆盖厚度的确定

本文取河南境内某水利枢纽工程的有压引水隧洞进行研究，隧洞围岩性质较好，并且所研究的典型洞段上部覆盖的岩体表面较为平坦，在进行内水压力作用下最小覆盖厚度的确定时，考虑采用上面所讲的抗抬准则的第一个公式。隧洞运行期间，最大内水压力水头为20 ，为使所得结果不失一般性，在各个埋深下，均采用20 内水水头进行抗抬比较。由公式可得，

当为Ⅱ级围岩时，最小厚度为：

因此，从上抬准则方面来考虑，在本工程所在地Ⅱ、Ⅲ级岩体内开挖隧洞，根据运行期间最大内水压力水头，对埋深小于10 的隧洞，要考虑施加衬砌，以防止拱顶上抬等原因造成的围岩失稳。

4有压内水渗流场及围岩稳定分析

一般说来，自然界的岩体没有完全不透水的，在有压引水隧洞充水运行期间，隧洞内水会逐渐透过岩体向外渗流。当隧洞围岩内有渗流时，由于渗透力的作用，隧洞围岩应力就会重新分布，为了研究问题的方便，我们假设隧洞围岩的岩石是化学稳定的，即岩石充水后没有膨胀或收缩，不改变岩石原来的物理力学性质，又因为Ⅱ、Ⅲ级岩体结构较为简单，渗透性小，其内部的渗流场满足达西定理，那么就能够确定出岩体内各部分的渗透孔隙水压力的变化规律，探讨渗流场的特性，并基于此来分析隧洞围岩的稳定状态。

4.1有压内水在隧洞有无衬砌时的作用机理

有压引水隧洞在有无衬砌的时候，所受到的压力内水作用的影响效果是有所不同的。当隧洞施加了衬砌，在充水运行过程中，压力内水直接作用在衬砌结构上，进而通过衬砌再间接的把力作用在围岩上。此时内水压力对围岩所产生的影响效果，与衬砌本身的抗渗性能密切相关。若衬砌本身渗透系数很小，比围岩的渗透系数低了几个数量级，则压力内水很难通过衬砌再渗透到围岩中去，水压力直接以面力的形式作用在衬砌的内表面上，再通过衬砌的变形把这种力作用在围岩的表面。若衬砌的抗渗性能较差（如产生了开裂现象），其渗透系数与围岩渗透系数相差不多，则压力内水会透过衬砌直接作用在围岩表面上，随着时间的推移，在围岩内形成新的渗流场。

4.2有压引水隧洞内水外渗过程中围岩内水头压力分布

在有压引水隧洞充水运行期间，隧洞围岩内未形成稳定渗流场之前，假定隧洞内水外渗边界面按柱面向外扩展，我们认为内水外渗到一定距离后，将趋于稳定，在岩体内形成稳定的渗流场，此时隧洞围岩里的水头压力分布可按渗流力学问题求解。

根据流体在介质中流动的基本方程（运动方程、连续性方程和能量方程）和物性方程（状态方程和本构方程）消去某些变量建立起单一的渗流偏微分方程。在一般情况下，岩体中流体的流动所引起的温度变化很小，可当作等温过程，在等温条件下能量方程是不必要的，水流符合 定律，可求得压力隧洞内水外渗过程中围岩内水头压力分布。

对于均质各向同性岩体，渗透系数 为常数，则连续性方程、达西定律与状态方程分别为：

式中：r0-隧洞半径，本文中取为隧洞半跨度；

d-压力隧洞内水外渗距离；

?驻Pw-压力隧洞洞内边界上内外水压力差，仅考虑内水作用下围岩的稳定状况，因此 数值上等于该点内水水头压力；

r-计算点到隧洞中心的距离

隧洞开挖后，由于重分布应力作用，再加上临空面的产生，使得洞周围岩朝着洞室内部发生变形，但当洞内充水后，由于内水压力的阻碍作用，会在一定程度上抑制围岩朝向洞内的变形趋势（但这不意味着内水的影响会增加围岩的稳定性），因此，可以通过隧洞充水后的塑性变形破坏区来进行围岩是否稳定的判断，在此基础上，进一步对已知工况下隧洞断面衬砌与否所对应的条件进行筛选。

小结

在背景工程所处的工况下，对有压引水隧洞断面衬砌与否的条件进行了筛选，主要分析了在暂不考虑地下水作用的假设条件下，引水隧洞充水运行期间受内水作用的影响情况。并对这些影响产生的机理做了简要分析，所得结果对类似工程的施工具有一定的参考价值。

参考文献

[1]李协生. 不衬砌引水隧洞设计中的若干问题[M]. 成都：西南交通大学出版社，1993

[2]周武平. 大断面不衬砌水工隧洞的理论与实践[J]. 四川水力发电. 1995，3（1）：69～72

作者简介：石书云（1979-），助理工程师，主要从事土工、建材、岩石等试验工作。

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