刍议水工隧洞的结构设计误区

摘要: 随着工程经验的积累和设计思想的进步; 现行水工隧洞结构设计的弊端不断显现, 设计人员应尽快走出水工隧洞结构设计的误区, 采用科学合理的计算方法, 先进的设计理念, 使水工隧洞的设计适应工程的需要, 同时实现节能降耗。

关键词:水工隧洞;工作状态;设计理念

虽然迄今为止, 按现行方法设计的已建水工隧洞未发生较大的安全事故问题, 但是既存在普遍的浪费,又出现了严重的开裂现象。实际工程也证明了这一点,计算出的配筋量往往很大, 甚至无法配置, 而改用有限元法计算则钢筋量大大减少。说明现行水工隧洞的结构设计存在着严重的不合理和与工程实际不相适应之处。

对衬砌结构限裂设计, 我国先后采用《水工钢筋混凝土结构设计规范(试行)》( SDJ20-1978)、《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057-1996)和《水工隧洞设计规范》(SD134-1984)、(DL/T5159-2004)中的公式进行结构计算和配筋。计算中主要考虑山岩压力、内水压力、外水压力、衬砌自重等荷载, 各荷载均作为外力作用在衬砌上,围岩对衬砌产生一定的弹性抗力, 其分布情况按一定的假定条件考虑, 在荷载及抗力共同作用下求出衬砌各断面的弯矩、轴力, 然后计算配筋量, 验算衬砌是否开裂, 以及开裂宽度是多少。

1 水工隧洞结构设计的误区

1.1计算理论的不合理

现行规范的限裂公式来自于对普通钢筋混凝土构件工作机理的推导, 这与衬砌结构的实际工作状态有着很大的差异。应该说, 衬砌结构与普通钢筋混凝土构件无论在受力特性上, 还是在裂缝位置、分布和条数上都有很大的区别。由于水工隧洞衬砌结构受力变形特点和围岩约束影响, 裂缝发展的机理与单独运行的普通水工混凝土杆件有质的区别,裂缝宽度与围岩条件、水压力大小及渗流场等密切有关, 简单地按普通钢筋混凝土构件来处理是错误的。

1.2 未考虑衬砌开裂后的“内水外渗”

对于大多数水工隧洞, 钢筋混凝土衬砌必然开裂, 衬砌开裂后必然“内水外渗”, 此时衬砌“泡”在水中, 由于内外水压力的平衡作用, 衬砌承受荷载较小, 要求配筋并不多。而现行规范中并未考虑“内水外渗”的影响, 导致配筋增多。其计算力系是重大误区。

1.3 水压力的作用采用“面力理论”而非“体力理论”

对于水工隧洞衬砌设计中如何对待水压力的问题, 国内外主要有面力理论和体力理论两种。面力理论认为衬砌不透水, 水荷载以面力形式作用在衬砌和围岩上; 体力理论认为混凝土衬砌是透水的,水压力应以场力的形式考虑。《水工隧洞设计规范》(DL/T5159-2004)对于水压力则是按面力考虑, 直接将内外水压力作用在衬砌的内外表面, 这样也导致计算结果偏大。

1.4 未充分考虑围岩的承载作用

对于水工隧洞, 围岩是承载水压力的主体, 应将围岩和衬砌作为统一体来考虑, 这已形成共识。在设计中应充分利用围岩的承载能力, 并加强对围岩的固结灌浆。挪威是最早采用不衬砌隧洞的国家, 到1982年, 己建成150 m 水头以上的不衬砌隧洞66条 , 在建13条, 现均在安全使用中。

《水工隧洞设计规范》(DL/T5159-2004)也指出, 水工隧洞设计中应充分利用围岩的自稳能力、承载能力和抗渗能力。但规范中围岩的作用仅体现为单一的弹性抗力K 0。而这个K 0值常是按经验判定的, 往往打了许多折扣, 很难反映真实情况。各工程地质人员给出的K 0值差异较大, 况且衬砌与围岩是联合作用的, 联合体的刚性比单独衬砌的刚性大很多, 弹性抗力K 0难以反映联合受力特性。

1.5 限裂缝宽0.2～0.3mm实无意义

《水工隧洞设计规范》(DL/T 5195-2004)要求衬砌最大裂缝宽度允许值为0.2～0.3mm, 这是一般混凝土结构耐久性要求, 应用于隧洞衬砌的合理性依据不足。

裂缝小些固然是好, 但是减少渗水的主体不是衬砌, 而是围岩, 尤其是固结灌浆圈。再者, 计算所得裂缝宽度实际上并不存在, 衬砌开裂后, 内水外渗, 裂缝即将减小甚至闭合。

从隧洞安全运行的角度来讲, 岩体中的节理裂隙普遍存在, 既然不衬砌隧洞都能安全运行, 就没有理由对透水衬砌的裂缝宽度如此严格限制, 重点应放在搞好围岩固结灌浆和顶拱回填灌浆。

2 水工隧洞实际工作状态研究

鉴于上述水工隧洞结构设计的弊端, 为深入研究水工隧洞结构的实际工作状态,笔者了解到有关单位进行了大比尺水工隧洞结构试验, 采用真实水压力加载, 研究了在内压、外压、内外压共同作用下衬砌结构开裂前后的应力、变形特性; 同时采用渗流应力耦合数值模拟, 和试验结果进行分析对比。

结构试验结合实际工程, 选取内径0.8m圆形断面水工隧洞进行结构试验, 假定围岩类别为Ⅳ类, 试验采用真实水压力直接加载, 并模拟了固结灌浆圈和围岩裂隙等构造, 配筋采用构造配筋。数值模拟以结构试验为对象, 对试验结果进行分析验证。两者结论基本一致, 总结如下:

(1) 衬砌裂缝数量少, 也不等距, 有异于普通钢筋混凝土结构。

(2) 衬砌开裂后, 内水外渗, 此时衬砌承担的内水压力逐渐减小, 钢筋应力普遍出现了“回缩”现象, 钢筋应力也减小了, 见图1。

(3) 按构造配筋的衬砌结构试验结果显示, 衬砌内钢筋应力和混凝土应变均不大, 钢筋应力远小于屈服强度, 远远没有发挥作用。则在高内水压力作用下, 只要衬砌周围围岩条件较好(可设置固结灌浆圈), 衬砌内层按构造配筋即能满足使用要求。

(4) 内水压力作用下围岩固结灌浆圈发挥了主要的承载作用, 衬砌在开裂前承担了20% ～40%的内水载荷, 在开裂后小于30%, 极个别处小于5%, 且随着内压的增加, 围岩承载比例不断增加,说明围岩是承载主体。围岩固结灌浆圈能承受较大的外水压力, 加强围岩固结灌浆对衬砌抵抗内外水压均有效, 对于较差岩体中的隧洞而言更为重要。

(5) 混凝土是透水介质, 无论是内水外渗作用, 还是外水压力作用, “水”总是以体积力的形式作用于衬砌和围岩。

(6) 增加钢筋面积, 钢筋应力和衬砌裂缝最大开度将减小。但由于衬砌开裂后内水外渗, 裂缝张开度减少的幅度并不与钢筋增加的面积成正比, 从而配置过多的钢筋与工程安全性并不成正比。

(7) 衬砌外沿最大孔隙水压值随衬砌裂缝宽度的增加而增大, 宽度接近0.05mm 时, 外沿最大孔隙水压值已十分接近全水头, 因此限制衬砌缝宽为0.20～0.30mm 已无实际意义。裂缝张开度即使大些, 只要岩体渗透系数较小, 尤其是固结圈防渗性较好, 渗漏量也不大。上述成果揭示了水工隧洞完全不同于梁、板等普通钢筋混凝土构件的受力特性, 同时有力地证明了前述水工隧洞结构设计中存在的误区, 正是这些误区导致了现行水工隧洞结构设计方法的计算结果与实际工程的不相适应。

3 水工隧洞规范计算结果与隧洞实际工作状态的差别

为直观地比较水工隧洞结构设计规范计算结果与实际工程的差别, 采用根据现行《水工隧洞设计规范》(DL/T 5195-2004)编制的4.0版SDCAD软件, 对结构试验模型钢筋应力和裂缝宽度进行计算, 并分别对开裂前弹性变形阶段和开裂后阶段试验结果和计算结果进行对比, 见表1和表2。

由表1可以看出, 衬砌开裂前弹性变形阶段,在相同荷载条件下, SDCAD 计算单筋钢筋应力为试验钢筋应力的10倍左右, 双筋钢筋应力为试验结果的20倍左右; 衬砌开裂后试验得出的单、双筋断面钢筋应力均不大, 远小于钢筋的屈服强度,而SDCAD 软件计算出的钢筋应力远大于试验结果, 并超过了Ⅰ级钢筋的屈服强度。从裂缝宽度来看, 计算裂缝宽度也远大于试验结果。说明衬砌开裂前后规范计算结果与实际工程差别均很大。

如前所述, 上述差别正是由于现行规范没有充分考虑衬砌与围岩联合承载, 也未计及内水外渗等水工隧洞的特性所致。

4 正确的设计理念

(1) 水工隧洞混凝土衬砌由于各种因素影响不可避免地会发生开裂, 由结构试验、有限元分析以及工程经验表明, 衬砌是透水体, 衬砌和围岩联合受力, 采用体力理论分析衬砌和围岩应力状态才符合工程实际。

(2) 从承载与防渗的角度来看, 围岩是主体,衬砌仅起辅助作用。因此, 规范要求的衬砌裂缝宽度限制为0.2～0.3 mm 实在没有必要。而围岩固结灌浆对水工隧洞是十分重要的,它提高围岩的整体性, 降低围岩渗透系数, 有利于提高隧洞的承载能力, 防止出现渗透破坏。施工中务必要做好固结灌浆与回填灌浆, 灌后要进行细致检查, 以确保回填灌浆到位, 防止衬砌顶拱出现脱空现象。

(3) 混凝土衬砌中配筋的主要作用是保证衬砌在运行过程中的完整性,不让开裂后的混凝土掉块。钢筋混凝土衬砌的厚度以有利于施工作业为宜, 若围岩可以自稳, 衬砌厚度可根据情况, 采用30～40 cm。衬砌可采用构造配筋, 一般情况下配筋宜细而密, 不宜粗而疏, 可不受最小配筋率的限制。

(4) 混凝土衬砌受温度应力影响较大, 钢筋应力计算应考虑混凝土内外温差变化的影响, 衬砌混凝土强度等级不宜过高。高地温地区隧洞宜采用高韧性的薄衬砌, 以适应变形。

(5) 有限元法进行水工隧洞结构计算较为合理, 可考虑地应力、围岩构造、内水外渗等实际状况; 结构力学法则无法做到, 不宜采用。

5 结束语

现行水工隧洞结构设计未考虑内水外渗, 与工程实际不相适应, 且导致了严重的浪费。通过结构试验、有限元数值模拟和原型监测, 深入研究了水工隧洞的结构受力特性, 有力地证明了现行水工隧洞结构设计存在误区。

目前尚缺乏能够考虑水工隧洞温度场、渗流场、应力场耦合作用的有限元计算软件, 需尽快编制。现行水工隧洞设计规范中结构计算的有关规定需尽快修订。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看