浅谈透水衬砌法与规范法在水工隧洞衬砌设计区别

浅谈透水 衬砌法与规范法在水工隧洞衬砌设计区别

石永康

广西建工集团第四建筑工程有限责任公司

摘要：引水隧洞的布置及其洞内水头的高低，开展了隧洞低压段和隧洞高压段的钢筋混凝土衬砌设计。低压段采用规范的面力设计方法，高压段分别采用规范的面力设计方法和透水衬砌的体力方法。首先，本文从衬砌设计理论、衬砌状态及其与围岩相互作用、衬砌作用及适用场合、围岩透水性及围岩位移影响不同等4个方面，详细总结了规范的面力设计方法和透水衬砌的体力方法之间的异同。在高压引水隧洞衬砌设计过程中，如果围岩较完整，采用透水衬砌的方法更符合工程实际，能大大缩减配筋量，节省工程造价。

关键词：水工隧洞；钢筋混凝土衬砌；透水衬砌；面力理论；规范方法；体力理论

1、水工压力隧洞的衬砌设计理论

水工压力隧洞的衬砌设计理论包含面力理论（不透水衬砌）和体力理论（透水衬砌）两种。早期，我国在对水工隧洞进行衬砌设计时，主要使用面力理论来就计算，但是随着抽水蓄能电站的发展，超埋深、长隧洞、大直径、高水头的引水隧洞不断涌现，引水水头通常高达数百米，甚至达千米以上。一般地，水工隧洞的洞顶水头超过100m就被认为高压水工隧洞。此时仍采用面力理论进行衬砌设计，已然出现配筋量巨大的现象，导致工程造价大幅提升，施工无法正常开展等问题。为此，一些工程，如广蓄、惠蓄等多个大型抽水蓄能电站开始尝试采用体力理论进行衬砌设计，将衬砌作为透水材料，考虑内水在衬砌中渗透，并以渗透力的形式作用于衬砌，即它是考虑渗透力的体力设计方法。随着人们对水工高压隧洞的工程实践的不断积累，体力理论也越来越为大家所接受。人们认识到，在满足水工高压隧洞设计准则，如挪威准则和最小主应力准则等条件下，围岩将成为承载水压力的主体，衬砌所承担水压力的比例将大大的减小。

1.1、面力理论

面力理论是目前规范法的理论基础，它假设衬砌是不透水材料，在计算衬砌和围岩应力时，将内水压力作为面力来处理。当隧洞检修放空时，衬砌外缘需考虑外水压力，同样地，面力理论认为外水压力是作用于衬砌外缘的面力。计算时，国内对外水压力一般使用折减系数法。

1.2、体力理论

体力理论认为衬砌材料是透水的，水在衬砌中渗透，并以渗透力的形式作用于衬砌，其性质为体积力，方向与渗流流动方向一致，故它采用的是考虑渗透力的体力设计方法，俗称透水衬砌法。它的基本假定有：

(1) 衬砌、松动圈与完整岩体的变形均服从虎克定律；

(2) 松动圈与完整岩体里的渗水压力按对数衰减；

(3) 松动圈岩体分为可承受与不可承受环向拉应力两种；

(4) 对于钢筋混凝土衬砌，开裂前的渗水压力按对数衰减，开裂后按线性衰减；

(5) 各种介质的面力作用系数为l；

(6) 按轴对称问题分析。

2、两种衬砌设计理论的对比

2.1、衬砌设计理论不同

1）规范法假定衬砌不透水，采用不考虑渗透力的面力设计方法。内水压力被视为面力，仅仅作用在衬砌的内表面，衬砌即使开裂，围岩也不直接承受内水压力，即围岩上内水压力为零，而仅承受衬砌的作用。

2）透水衬砌法认为衬砌是透水材料，因此内水在衬砌中渗透，并以渗透力的形式作用于衬砌，其性质为体积力，方向与渗流流动方向一致，故它采用的是考虑渗透力的体力设计方法。内水压力被视作孔隙水压力作用在在衬砌的内表面，根据有效应力原理，计算衬砌变形及有效应力时，内表面不再承受面力，衬砌有效应力只与衬砌内、外表面的孔隙水压力梯度有关，即与内水压力、外水压力差相关，围岩不仅承受衬砌作用，而且还能直接承受外水压力，同时假定围岩也具有透水性。

2.2、衬砌状态及其与围岩相互作用的不同

1）规范法能考虑衬砌开裂，但不考虑衬砌与围岩脱开。

规范法假定衬砌只在径向开裂，而无环向开裂。此时，内水压力只能通过衬砌间接作用在围岩上，围岩不能直接承受内水压力，无论衬砌开裂与否，在径向上，力的传递是连续，且衬砌与围岩完好接触，即它们之间既不脱离，也不相互滑动。

2）如规范法相同，透水衬砌法也假定衬砌只在径向开裂，而无环向开裂，但是透水衬砌法能根据实际情况考虑衬砌与围岩脱开。因此，透水衬砌法既可以考虑衬砌与围岩完好接触，也可以考虑衬砌与围岩脱开（脱开后，补充水流连续方程）。

2.3、衬砌所起的作用及适用场合不同

1）规范法认为无论衬砌开裂与否，衬砌和围岩联合完好接触，共同承受内水压力，同时，内水压力被视为面力，在高内水压力作用下，为满足限裂设计要求所需配筋面积过大，结果不尽合理。因此该方法适合于中、低水头、小直径（ D≤6m）、衬砌开裂不严重的水工隧洞。

2）透水衬砌法认为当衬砌未与围岩脱开时，衬砌和围岩联合承受内水压力，而当衬砌与围岩脱开时，围岩独立承担内水压力，衬砌仅起构造作用。衬砌在高内水压力作用下开裂，成为透水体，于是内水压力透过衬砌裂缝进入到围岩，使得衬砌体内外水压的压差降低。故衬砌只承担较小部分的内水压力，衬砌受力只与衬砌内、外水压差相关，而围岩是内水压力的主要承载体。因此，对于高水头、大直径作用下的水工隧洞，应该按体力设计考虑衬砌内的内水外渗对衬砌和围岩结构的影响。对于围岩地质条件较差的水工隧洞，仅通过提高衬砌配筋面积降低钢筋应力和裂缝宽度作用有限。行之而有效的方法是，通过固结灌浆等工程措施提高围岩的完整性和抗渗性能，以充分挖掘围岩的承载能力。

2.4、围岩透水性及围岩位移影响不同

1）规范法认为围岩不透水，仅承受衬砌传递过来的作用 ，因此无限围岩在面力 作用下，围岩洞壁 处位移为

(2-1)

2）透水衬砌法认为当衬砌未与围岩脱开时，围岩处理承受衬砌传递过来的作用 外，还直接承受外水压力 ，同时考虑围岩的透水性，无限围岩在体力和面力作用下，围岩洞壁 处位移为

(2-2)

比较式(2-1)较和式(2-2)，不难发现式(2-2)多了一项无限围岩在体力作用下的位移。

3、小结

本文是以面力及体力两大理论进行探讨。比较透水衬砌方法和规范方法的区别、其优缺点和适用条件。

1.当衬砌不开裂时，因为结构渗透系数很小，因此，在隧洞充水后结构的内外环的应力梯度很大，此时结构所受的力几乎都表现为面力作用，因此当衬砌不开裂时，完全可以用面力代替体积力作用。当衬砌开裂时，随着结构渗透系数的增大，其内外环的应力梯度变到很小。结构所受的力为体力，用体力进行计算更为符合实际情况。

2.钢筋应力及裂缝宽度不满足要求时，都是加大了钢筋的配筋面积，来达到要求。而实际工程中，围岩承载着大部分的荷载，而衬砌只承受小部分荷载，同时，围岩的渗透性能对衬砌配筋结果有很大的影响，因此，可以通过固结灌浆及锚杆支护等措施来提高围岩的稳定性，抗渗性和完整性。

参考文献

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