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水利工程中壓力隧洞型式的研究論文
論文關(guān)鍵詞：水利工程；水工建筑物；隧洞設(shè)計(jì)；原理分析；計(jì)算。
論文摘要：
水工壓力隧洞的埋設(shè)深度決定其施工工期的長(zhǎng)短和造價(jià)的高低。若能將隧洞內(nèi)的水壓力荷載傳遞到巖體內(nèi)，而不引起巖石滑移或涌水的危險(xiǎn)，則隧洞距地表面的距離即為壓力隧洞的最小埋深。在工程實(shí)踐中，確定埋深不大的壓力隧洞的襯砌型式及參數(shù)應(yīng)仔細(xì)研究山巖巖體的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，其最終方案的選擇必須進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)值研究。水工壓力隧洞距地表的距離究竟相對(duì)靠近到什么程度？其主要取決于水利樞紐布置中各主要建筑物的相互位置、地勢(shì)低洼地段隧洞的橫斷面尺寸以及其它因素，其中，盡量減少隧洞的建筑工程量最為重要。
一、選擇壓力隧洞型式的前提設(shè)計(jì)壓力隧洞的主導(dǎo)思想：
是保證能將水壓力引起的荷載盡可能大的部分（最好是全部）傳遞給周圍的山巖巖體。高水頭隧洞推廣采用無(wú)承力襯砌型式，在巖石破碎地段建造的混凝土或鋼筋混凝土襯砌，旨在用來(lái)保證隧洞開挖和運(yùn)行時(shí)巖體的穩(wěn)定性，并不承受水壓力。這種觀點(diǎn)是基于對(duì)現(xiàn)實(shí)情況的考慮——混凝土或鋼筋混凝士襯砌不可能承受很大的拉應(yīng)力，襯砌中裂縫的形成，促使將水壓力的主要部分傳遞給巖體，而襯砌材料則只能為該隧洞段創(chuàng)造有利的水力學(xué)條件，并在某種程度上減少其滲流量。在隧洞泄空的情況下，則恰恰相反，裂縫閉合，襯砌結(jié)構(gòu)能承受山巖的壓力。
在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮這一實(shí)際情況，就有可能采用更經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。若遇到不可能將水壓力的主要部分傳遞給巖體的情況，則采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌或承力鋼板襯砌。當(dāng)壓力隧洞接近地面時(shí)，在相當(dāng)堅(jiān)固的巖石中，必須采用這樣的襯的方式，將有可能縮短工期，降低工程造價(jià)。
二、無(wú)襯砌壓力隧洞的最小埋深計(jì)算分析：
壓力隧洞的最小埋深指的是，若能將隧洞內(nèi)的水壓力荷載傳遞到山巖巖體，而不致引起巖石滑移或涌水的危險(xiǎn)，則隧洞距地表面的距離，即為壓力隧洞的最小埋深。
實(shí)際上，是指無(wú)襯砌壓力隧洞的最小允許埋設(shè)深度。下面以某埋深不大的壓力隧洞附近山巖巖體應(yīng)力——變形狀態(tài)的分析成果，作為具體實(shí)例進(jìn)行研究。該壓力隧洞內(nèi)徑9.5m，水頭為160m（P=1.6MPa），穿越一段地形低洼地段。隧洞在地形低洼地段的最小埋深（至隧洞的頂拱）為36m。該洼地是一個(gè)山谷隘口，兩側(cè)與水平面的坡度分別為26°和46°。山巖巖體由弱泥質(zhì)密實(shí)的層狀石灰?guī)r組成，層厚0.4m～0.8m。巖層隧洞軸線對(duì)水平面的傾角為6°，在垂直于隧洞縱軸的平面內(nèi)，巖層對(duì)水平面的傾角為65°。
順層理的巖體變形模量采用E11=7000MPa：垂直于層理的巖體變形模量E⊥=3600MPa，泊桑比V=0.2，由于是空間結(jié)構(gòu)，故利用計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序以有限元法求解。計(jì)算區(qū)域的尺寸（考慮采用的對(duì)稱條件）選擇是沿隧洞軸線400m，水平方向距隧洞軸線200m，高400m（考慮地形情況）。對(duì)于有限元法標(biāo)準(zhǔn)的限制條件——各節(jié)點(diǎn)的水平位移限制在其下部的水平面內(nèi)，計(jì)算區(qū)域包括936個(gè)等參數(shù)單元和1972個(gè)節(jié)點(diǎn)。在開挖輪廓附近，利用二次單元隨后轉(zhuǎn)移到一次單元。所采用的計(jì)算區(qū)域的對(duì)稱性假定，不可能考慮巖體的實(shí)際結(jié)構(gòu)。
因此，對(duì)與對(duì)稱條件不矛盾的兩種極限——巖石具有垂直和水平層理的情況進(jìn)行了分析。為了進(jìn)行比較，對(duì)變形模量平均值E=5300MPa的各向同性巖體也進(jìn)行了分析研究。對(duì)于最小埋深段的隧洞斷面的平面變形條件進(jìn)行了驗(yàn)算。這一算題是在非線性布置情況下解算的。對(duì)于山巖巖體，采用了橫向——均質(zhì)材料的綜合性彈塑模型，該模型遵守庫(kù)侖—摩爾塑性流（破壞）準(zhǔn)則，計(jì)算中，巖石的有關(guān)參數(shù)采用以下值，粘著力C=1MPa，內(nèi)摩擦角40°，抗拉強(qiáng)度極限Rt=2MPa。對(duì)于層理接觸面，取C=0.4MPa，=31°。
在巖體力學(xué)性能各相同性的情況下，埋深最小的隧洞其未來(lái)襯砌頂拱點(diǎn)處沒有受到損壞的巖體的計(jì)算應(yīng)力狀態(tài)為，σmin=—2.1MPa，σmax=—0.97MPa；在巖體各向異性情況下，未來(lái)襯砌頂拱點(diǎn)處未損壞巖體的計(jì)算應(yīng)力狀態(tài)為：巖層呈垂直狀時(shí)，σmin=—2.25MPa，σmax=—1.35MPa；巖層呈水平狀時(shí)，σmin=—2.17MPa，σmax=—1。5MPa。巖體中的上述應(yīng)力值表明，考慮地形的影響十分重要。要知道，對(duì)于平面問題來(lái)說(shuō)，相應(yīng)的最小應(yīng)力值σmin=—0。94MPa。以上所求得的巖體中的自然應(yīng)力值，是設(shè)計(jì)階段用來(lái)決定能否在無(wú)襯砌條件下保留該隧洞作為壓力隧洞的充分依據(jù)（σmin=—2.1MPa，其絕對(duì)值大于P=1.6MPa）。
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