5.1 水工隧洞基础

5.1.1 水工隧洞简介

水工隧洞是在山体中或地下开凿的过水洞。水工隧洞可用于灌溉、发电、供水、泄水、输水、施工导流和通航。水流在洞内具有自由水面的，称为无压隧洞；充满整个断面，使洞壁承受一定水压力的，称为有压隧洞。发电隧洞一般是有压的；灌溉、供水和泄水隧洞，可以是无压的，也可以是有压的；而渠道和运河上的隧洞则是无压的。水工隧洞主要由进水口、洞身和出口段组成，发电用的引水隧洞在洞身后接压力水管，渠道上的输水隧洞和通航隧洞只有洞身段。闸门可设在进口、出口或洞内的适宜位置。出口设有消能防冲设施。为防止岩石坍塌和渗水等，洞身段常用锚喷（采用锚杆和喷射混凝土）或钢筋混凝土做成临时支护或永久性衬砌。洞身断面可为圆形、城门洞形或马蹄形。有压隧洞多用圆形。进出口布置、洞线选择以及洞身断面的形状和尺寸，受地形、地质、地应力、枢纽布置、运用要求和施工条件等因素所制约，需要通过技术经济比较后确定。

开挖过程中水工隧洞支护是为了防止在隧洞开挖时围岩产生过量的变形，致使隧洞坍塌；而衬砌是为了防止隧洞壁岩块坍塌、渗漏和改善水流条件，用混凝土、钢筋混凝土、钢板、水泥砂浆、块石等材料将隧洞围岩衬护起来的一种工程技术处理措施。衬砌类型及所用材料，根据隧洞的功用、工程地质和水文地质、受力情况及施工条件、水流状态等确定，常见衬砌形式有平整衬砌；单层衬砌、组合衬砌、预应力衬砌、装配式衬砌和锚喷衬砌。

水工隧洞建筑物组成一般包括进口建筑物、洞身和出口建筑物3个主要部分。此外，水电站厂房也可设置在地下和隧洞邻接，如图5.1所示。

图5.1 水工隧洞布置简图

（1）进口建筑物。包括进水喇叭口、闸门及其控制建筑物、通气孔道、进口渐变段（从安装闸门地段的矩形断面过渡到洞身断面），作用是：进水和控制水流；保证水流平顺，避免空蚀现象；尽量减少局部阻力，保证过水能力。

（2）洞身。隧洞的主体，其断面形式和尺寸取决于水流条件、施工技术情况和运用要求等。有压隧洞一般采用圆形断面，如图5.2（a）、（b）所示，而无压隧洞则采用圆拱直墙，如图5.2（c）、（d）所示或曲墙形，如图5.2（e）所示。隧洞断面尺寸必须满足设计流量的要求，有压隧洞按管流计算，无压隧洞按明渠流计算。为保证无压隧洞的明流状态，在按能量方程计算的水面曲线以上应留有一定净空。对于高流速的无压隧洞，还要考虑渗气和冲击波的影响，水面以上要另留一定的余幅面积。洞身一般要修建衬砌，用以防护岩面并减小洞壁粗糙，防止渗漏，承受围岩压力、内水压力及其他荷载。衬砌类型有不承载的护面结构；混凝土、钢筋混凝土或喷锚支护的单层衬砌；内层为钢板，外层为混凝土或钢筋混凝土，或由喷锚支护和现浇混凝土组合成的复合式衬砌。地质条件较好的隧洞，特别是无压隧洞，可以不作衬砌，但要采用光面爆破开挖，以达到岩面平整的要求。

图5.2 水工隧洞断面形状及其衬砌方法

（3）出口建筑物。其组成和功用按隧洞类型而定。用于引水发电的有压隧洞，其末端连接水电站的压力水管。通常还设置有调压室（井），当电站负荷急剧变化时，用以减轻有压隧洞和压力水管中的动压现象，改善水轮机的工作条件。泄水洞口一般设有消能建筑物，如出口设置扩散段以扩散水流，减小单宽流量（从洞内流出的最大流量除以水面宽度），防止对出口渠道或河床的冲刷。

5.1.2 水工隧洞的设计模型

水工隧洞属于地下工程，由于地层开挖后容易变形、塌落或地下水涌入，所以除了在极为稳固的地层中且没有地下水的地方外，大多在坑道的周围修筑支护结构，在水工隧洞中称之为衬砌，水工隧洞是埋于地层中的结构物，它的受力及变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互制约，共同作用。水工隧洞所处的环境条件与地面工程全然不同，但长期以来都沿用适应地面工程理论和方法来解决水工隧洞工程中所遇到的各类问题，因而常常不能正确地阐述水工隧洞工程中各种力学现象和力学行为过程，使水工隧洞长期处于经验设计和经验施工的局面。

地下工程的设计理论和方法经历了一个相当长的发展过程。在20世纪20年代以前，支护理论主要有压力理论和散体压力理论，以砖、石头材料作为衬砌，采用木支撑或竹支撑分部开挖的方法进行施工。此时只是将衬砌作为受力结构围岩被看作是荷载作用在衬砌结构上的，这种设计理论过于保守，设计出的衬砌厚度偏大。20世纪50年代以来，岩石力学开始成为一门独立的学科，围岩弹性、弹塑性、黏弹性解答逐步出现。土力学的发展促使松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展，岩石力学的发展则促使围岩压力和地下工程支护结构理论的进一步发展。同时锚杆和喷射混凝土作为初期支护得到广泛应用。这种柔性支护允许开挖后的围岩有一定的变形，是围岩能够发挥其稳定性，大大地减衬砌厚度。

目前采用的设计模型主要有：

（1）以工程类比为主的经验设计方法。

（2）以现场测试和实验室试验为主的实用设计方法。

（3）作用—反作用设计模型，即目前隧道设计常用的荷载—结构模型，包括弹性地基梁、弹性地基圆环等。

（4）连续介质模型，包括解析法（封闭解和近似解）和数值法（以FEM为主）。

各国常采用的设计模型比较多，不完全统计如表5.1所示。各种设计模型各有其适用的场合，也各有各自的局限性。从各国地下结构设计实践看，目前主要采用以下两种模型：

（1）传统结构力学模型。它是将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构为承载主题，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支撑，故称之为荷载—结构模型。采用这种模型时，认为支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对结构施加约束来体现的，而围岩承载能力则在确定围岩压力与弹性支撑的约束能力时考虑。围岩承载能力越高，它给予支护结构的压力就越小，弹性支撑的约束支护结构变形就越大。这种模型主要用于围岩因过分变形而产生松弛和坍塌，支护结构主动承担围岩松动压力情形。利用这种模型进行设计的关键问题是任何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最重要的是围岩松动压力和弹性支撑作用于支护结构的弹性抗力。一旦解决了这两个问题，就可以运用结构力学的方法求解出超静定体系中的内力和位移。因为这种模型概念清晰，计算简便，便于被工程师和研究人员接受，所以至今很通用，特别是在模筑衬砌中得到广泛应用。

属于这种模型的计算方法有弹性连续框架（含拱形）法、假定抗力法、弹性地梁法（含曲梁和圆环）等。当软弱地层对结构变形的约束能力较差时（或衬砌与地层间的空隙回填、灌浆不密实时），隧洞结构内力计算常采用连续框架法，反之，采用假定抗力法、弹性地梁法。

（2）现代岩体力学模型。它将支护与围岩视为一体，作为共同承载的隧道体系，故称之为围岩—结构共同作用模型。在这种模型中，围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，这一点恰恰与第一种模型相反。这种模型主要用于由于围岩变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得，这是反映当前支护结构原理的一种设计方法，需采用岩石力学方法进行计算。应当指出，支护体系不仅是指衬砌与喷层等结构物，而且包括锚杆、钢筋及钢拱梁等支护在内。

围岩—结构共同作用模型是目前隧洞结构体系中力求采用的或正在发展的模型，因为它符合当前施工水平，采用快速和超强的支护技术可以限制围岩的变形，从而阻止围岩松动压力产生。这种模型还可以考虑各种几何变形、围岩特征和支护材料的非线性特征、开挖面空间效应所形成的三维形状及地质中不连续面等。利用此模型进行隧洞设计的关键问题是，如何确定围岩初始应力场和表示材料非线性特征各种参数及其变化情况。一旦这些问题解决了，原则上任何场合都可用有限单元法求解出围岩与支护结构的应力及位移状态。这种模型中只有一些特殊隧洞可以用解析解或收敛—约束法图解，绝大部分隧洞求解时因数学上的困难必须依赖数值方法，借助计算机来进行分析模拟求解。

5.1.3 水工隧洞的数值方法

通常隧洞支护结构的计算需要考虑地层和支护结构的共同作用，一般都属于非线性的二维或三维问题，模拟计算还与开挖方法、支护过程有关。对于这类复杂工程问题，必须采用数值模拟方法。目前用于隧洞开挖、支护过程的数值方法主要有有限元、边界元、有限元—边界元耦合法。

其中有限元是一种发展最快的数值方法，已经成为分析隧洞及地下工程围岩稳定和支护结构强度计算的有力工具。有限元可以考虑岩土介质的非均匀性、各向异性、非连续性及几何非线性等，适用于各种实际的边界条件。但该法需要将整个结构体系离散化，进行相应的插值计算，导致数据量较大，精度相对低。大型通用有限元软件ANSYS Products就可以模拟计算隧洞结构，还可以实现隧洞开挖与支护及连续开挖的模拟。

边界元在一定程度上改进了有限元的精度，它的基本未知量在所关心的问题的边界上，如在隧洞计算模拟时，只要对分析对象的边界进行离散处理，而外围的无限域则视为无边界。但是该法要求分析区域的几何、物理必须是连续的。

有限元—边界元耦合法则采用两种方法的长处，从而可以取得良好的效果。如计算隧洞结构时，对主要区域（隧洞周围区域）采用有限元，对隧洞外部区域可按均质、线弹性进行模拟分析，这样计算出来的结果精度一般较高。

5.1.4 水工隧洞的荷载

按照水工隧洞设计规范，水工隧洞设计主要考虑的荷载包括永久荷载、可变荷载和偶然荷载，详见如表5.2所示。其中最重要的是围岩的松动压力和动水压力，支护结构的自重可以按照预先拟定的结构尺寸和材料重度计算确定。在含水地层中还要考虑地下水的静水压力。