(贵州西能电力建设有限公司)
摘要：衬砌和围岩作为水工隧道的关键部分，要承担较大的内水压力。本文通过运用轴对称的模型，对衬砌与围岩之间的接触应力进行分析，建立应力的判断标准，对衬砌混凝土开裂前后的的渗透系数进行分析，并且对衬砌围岩的承载力进行分析，设计混凝土最大裂缝宽度的标准，对裂缝的宽度加以控制，运用程序设计，实现对衬砌结构的计算。结果分析，在对衬砌结构进行设计时，最主要的是实现对渗透系数的计算。
关键词：水工隧洞；内水压力；联合承载
水工隧洞的设计在我国的已经有很长的历史了，而且在发展中也发生了很多的变化，水荷载作用的形式发生了较为显著的变化，围岩和隧洞的衬砌实现了联合的承载。现在，水电事业实现了进一步的发展，特别是抽水蓄电站的发展更为迅速，隧洞的直径越来越大。但是，衬砌结构在焊接和运输方面是存在一定的问题的，而且使用的材料比较多，本文通过对施工技术进行改善，并且通过对经济效益的分析，能够完善新的衬砌。
理论计算模型
理论模型分析
本文在内水压力作用的基础上，建立了衬砌与围岩的联合的承载模型，模型是在混凝土开裂之前，衬砌中的渗水压是均匀的，而且混凝土的开裂能够运用线性函数来表示，围岩中的渗水压力的分布也是有规律的。
计算公式
在测量围岩渗透半径的基础上，半径用R表示，分析衬砌受到渗透水压作用下产生的变形，计算出衬砌中的应力。在对位移进行测量的基础上，得到轴对称模型的计算公式K=U*R。
衬砌与围岩的联合承载的特征
混凝土开裂之前
在混凝土还未开裂时，通过对隧洞水力连续方程的分析，能够计算出衬砌表面的渗透水压力。如果混凝土出现了开裂，但是衬砌与围岩还是能够接触在一起的，那么就可以对边界的位移进行分析，建立连续方程，分析衬砌与围岩接触中形成的作用力。如果作用力是大于零的，则说明衬砌与围岩之间是存在压力的，如果作用力小于零，那么说明衬砌为围岩之间具有拉力，如果作用力等于零，则说明衬砌与围岩之前不存在任何形式的力。
围岩与衬砌接触产生的作用力与围岩变形的模量存在联系，如果衬砌与围岩之间的渗透系数相差比较大，那么说明作用力为正值，衬砌与围岩之间为接触的状态。如果衬砌与围岩之间的接触系数为0.1时，书名衬砌的透水性小，围岩的透水性大，作用力为正值。如果衬砌与围岩之间的渗透系数为0.01时，说明作用力在减小，而且由正值转变成负值，衬砌与围岩之间的作用力由压力转化成拉力。如果衬砌与围岩之间的渗透系数为1时，说明衬砌与围岩的渗透系数是相等的，所以，作用力为负值，表明衬砌与围岩之间的作用力是以拉力的形式呈现的。
衬砌与围岩之间的渗透系数对作用力产生一定的影响，当作用力为负值时，表明衬砌与围岩之间的作用力是以拉力的形式呈现的，如果作用力为正值，说明衬砌与围岩之间的作用力是以压力的形式呈现的，当衬砌与围岩之间的渗透系数增大时，其间的作用力也在增大。
如果衬砌与围岩之间不存在粘结力，那么作用力也不存在，这时能够分析衬砌的外表面与内表面之间的压力大小，对临界点处的作用力进行分析。
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混凝土开裂后
在混凝土开裂后，对临界N进行计算，按照衬砌与围岩的接触面的位移，建立连续方程，当混凝土开裂后，其衬砌内的流水会成线性分布，围岩也能够承受较大的压力，所以，衬砌与围岩之间的接触面积会增大。加入衬砌与围岩之间的作用力为零，那么，在衬砌开裂后，将衬砌与围岩临界点分别赋值0.2、0.4、0.6、0.8进行计算。
当衬砌开裂后，如果衬砌为围岩之间的作用力不发生变化，那么随着时间的增加，临界N会减小，当时间从1.06增加到1.5时，临界N会降低。如果时间是相同的，那么，随着渗透系数的增加，临界N会增加。如果渗透系数与时间相同，此过程与混凝土开裂之前进行比较，则会发现衬砌在发生开裂后，临界N会减小，表明在衬砌出现开裂后，其透水性更好，隧洞承载水的压力主要是由围岩来承担，所以衬砌与围岩更容易脱节。
在对临界水压力进行计算中，首先要计算中衬砌裂缝的宽度，然后再分析岩体的流量。如果在混凝土开裂后，衬砌承担的水的荷载由钢筋来承担，那么就可以借助裂缝间的流量，分析衬砌与围岩的荷载，建立连续的平衡方程。在这个基础上，能够确定混凝土裂缝的宽度。
透水衬砌的设计方法
设计流程
在对水工隧洞的钢筋混凝土衬砌进行设计的过程中，要按照一定的流程。
首先，按照初步设计的衬砌的厚度，分析混凝土强度的基础上，对衬砌开裂的荷载进行计算，然后分析隧洞衬砌开裂的状态，分析隧洞是否能够正常工作，判断透水衬砌的类型。
然后分析透水衬砌的结构，计算钢筋的面积，建立模型分析钢筋变形的不均匀模型，将衬砌与围岩接触面的粘结强度进行分析。
再次，按照实际的内水压力，对临界水压力进行分析，计算衬砌内表面和外表面的水压力分布，分析衬砌混凝土最大的裂缝宽度。
最后实现对计算结果的审核，如果不满足要求应该及时更改方案，对上述的步骤重复，直到得出准确的结论。
实例分析
某发电饮水隧洞衬砌的后半径为2.5，外半径为3.5，围岩的渗透半径为10，混凝土的弹性模量为28000，围岩的渗透系数为100000，内水压力为11MPa。
通过计算可以看出，衬砌的开裂荷载为0.834MPa，比隧洞设计中的内水压力要小，而且隧洞衬砌完全的开裂，衬砌的结构经过研究是透水性结构，衬砌与围岩之间的粘结力为零，可以维系为衬砌与围岩在脱离瞬间的临界N为0.535，在对配筋进行选择过程中，分析衬砌与围岩之间的作用力。
在进行上述计算中，其钢筋的应力都在规定的强度中，不会产生任何压力的破坏，能够符合水工隧洞的规范和要求，所以在对配筋方案进行调整的过程中，应该选择最大裂缝宽度的配筋方案。
当围岩的渗透系数比较大的时候，能够使最大裂缝的宽度满足要求，而且能够在隧洞的轴线上设置钢筋。如果运用的是钢板衬砌结构，那么围岩的抗力系数也要相应的增加。
结语：
围岩的透水性是相当重要的，其能够提高隧洞工作的性能，而且能够促进衬砌结构的完整，其与围岩变形的模量具有同等的重要性。如果围岩的透水性比较差，而且其变形模量低，就会导致衬砌与围岩的脱离，在混凝土开裂之前，其更容易脱落。所以，应该进行严密的灌浆工作，提高围岩的抗渗透性能。
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论文作者:邹亚鸿
论文发表刊物:《电力设备》2015年第12期供稿
论文发表时间:2016/4/29
标签：围岩论文; 隧洞论文; 作用力论文; 水压论文; 混凝土论文; 系数论文; 水工论文; 《电力设备》2015年第12期供稿论文;