无压水工隧洞设计如何考虑隧洞的外水压力.docx
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无压水工隧洞设计如何考虑隧洞的外水压力
无压水工隧洞设计如何考虑隧洞的外水压力
作者：
陈华松单位：
云南省水利水电勘测设计研究院邮编：
650021
摘要
云南水工无压隧洞基本上都位于地下水位以下，水工无压隧洞外水压力问题
特别突出，水利版《水工隧洞设计规范》中采用水压力折减系数的方法计算外水压力，然在实际设计过程中，折减系数要根据洞壁的渗水量和围岩情况取值，而
这种设计状况只有在隧洞开挖完成后，选取的折减系数才比较可靠。
而施工前的隧洞设计，对选取合适的折减系数成为工程设计人员面临的难题。
本文在云南省水电勘测设计研究院的隧洞设计项目中，对具有代表性的水工
隧洞的地质水文情况进行研究，试图通过统计隧洞穿越几种有代表性的洞段时的岩壁渗水情况，来指导隧洞外水压力折减系数的选取。
并提出隧洞设计的建议。
关键词：
水工无压隧洞；外水压力；折减系数；强风化底界；断层；环境；结构配筋
Hydraulicfree-flowtunneldesignhowtoconsidertheexternalwaterpressure
Theauthor:
ChenHuasong
Workunit:
Waterconservancyandhydropowersurveydesigninstituteinyunnanprovince
Zipcord:
650021
Summary
TheFree-flowtunnelinYunnanprovinceisbelowtheundergroundwaterlevelundernormalconditions,andhydraulicfree-flowtunnelproblemisespeciallyprominenttheexternalwaterpressure,waterconservancyversionspecificationfordesignofhydraulictunnelwaterpressurereductionfactormethodisadoptedintheexternalwaterpressurecalculation,butintheactualdesignprocess,thereductionfactoraccordingtothewidthoftheleakageofwatervalueandsurroundingrockconditions,thedesignstatusonlyinthetunnelexcavationiscompleted,selectingthereductionfactorismorereliable.Andbeforeconstructionofthetunneldesign,selectionofappropriatereductionfactorintothechallengesfacedbytheengineeringdesigners.
Tunnelofhydropowersurveydesigninstituteinyunnanprovinceispresentedinthispaper,geologicalandhydrologicalconditionofthetypicalhydraulictunnelarestudied,throughstatisticsofseveralrepresentativeholesectionoftunnelthroughtherockseepagesituation,toguidetheselectionofexternalwaterpressurereductionfactor.AndputforwardSuggestionsfortunneldesign.
Keywords:
hydraulicfree-flowtunnel;theexternalwaterpressure;Reductionfactor;
Stronglyweatheredbottom;Fault;Theenvironment;Structurereinforcement
1无压水工隧洞的外水压力问题
云南省水工隧洞基本上都位于地下水位以下，水工无压隧洞外水压力问题特别突出，由于隧洞工程地质情况复杂，围岩情况及工程水文地质情况有很大的不确定性。
随着云南省内包括铁路、公路、输水渠道的隧洞的建设，使得隧洞工程区地下水位下降，造成沿线周边居民无水可用，生态破坏，水土流失，土地荒漠化等问题逐渐凸显。
对于生态环境脆弱的地区，施工期排水就足以造成致命性的破坏，更何况传统的以排为主降低外水压力的隧洞设计方式，长期汲取地下水，在运行期地下水位也得不到恢复，对生态环境造成不可逆转的永久性破坏。
“有声的居民在索赔，无声的生命哭泣并渐渐死去”。
采用传统的设置排水管降低外水压力的方法面临严峻挑战，因此改变以排为主的传统设计理念，采用以堵为主的设计模式，值得探讨和研究。
如何对隧洞外水压力进行分析和计算是设计人员遇到的难题。
同时正确合理地进行外水压力计算和隧洞设计，对隧洞工程有极大的工程意义。
1.1规范中规定的计算方法[1]
在无压隧洞设计过程中，隧洞的外水压力的选取，对隧洞混凝土衬砌结构的设计，及配筋计算有重大影响，如外水压力选取过大，造成混凝土衬砌结构厚度，配筋增大，造成很大浪费。
然而隧洞外水压力作用一般也很难准确确定。
根据围岩的渗透系数、岩层结构、地质构造、渗流类型、补给水源等条件，通过渗流计算来确定作用在衬砌上的外水压力可能比较准确。
但是由于计算工作量较大，计算参数确定的难度，这种计算对重要工程或重要洞段是必要的，所有水工隧洞就不现实。
在《水工隧洞设计规范（SL279-2002）》中，对外水压力的计算采用外水压力折减系数的方法，折减系数根据地下水活动状态和地下水对围岩稳定的影响取值，即根据洞壁的渗水量的多少强弱和围岩情况，选取外水压力折减系数。
用这种方法在隧洞开挖完成后，根据实际情况选取的外水压力折减系数比较可靠。
1.2实际设计中外水压力折减系数取值的困惑
而隧洞设计，特别是隧洞设计前期，如按照规范的外水压力折减系数这一计算方法，用一折减系数乘以地下水位来确定外水压力，过于简单；特别是根据围岩类别选取外水压力折减系数的方法，更是粗暴。
根据围岩类别选取外水压力折减系数，而不考虑围岩是否会有渗水，在隧洞埋深较深，比如在昆明市清水海引水工程中的恩甲隧洞埋深480m,实际钻孔勘察的地下水位最高就有360m,这时取较低折减系数如0.1，外水水头就有36m，这与开挖后揭露的实际情况不符，隧洞开挖后洞内只有局部地方有渗水,绝大多数洞段干燥和岩壁潮湿,如这时还按照外水压力折减系数法计算外水压力,进行结构设计,势必会增加隧洞钢筋混凝土衬砌厚度和提高配筋率,这就造成极大浪费,同时也发现当拿到隧洞地质纵剖图时,图中所示的垂直地下水位与垂直于地下水位以下、穿越强风化底界以下的隧洞所承受的外水压力并无必然关联。
在外水以成岩裂隙水和构造裂隙水为主的隧洞,取垂直于隧洞与地下水位间的高度作为外水压力初值进行外水压力折减计算是不妥的。
而且规范中同样的渗水状况下,规范的取值范围很大,工程设计人员对外水压力折减系数的取值有很大的困惑,当取上下限进行计算时,结构及配筋差别很大,这也是造成设计人员对外水压力折减系数取值困惑的原因之一。
2隧洞外水压力研究内容
2.1、基本资料来源
云南省勘测设计研究院设计项目“昆明市清水海供水及水资源环境管理项目引水工程（一期）“,在施工现场设置了3个设代点,每个设代点派驻了1个地质设代,1个水工设代,在对隧洞提供技术服务的同时,也详细记录了施工过程中隧洞的围岩、塌方、水文地质等情况,并作了隧洞的《隧洞竣工地质剖面图》,本人作为设代参与其中。
为了提高代表性,还采用了云南省勘测设计研究院设计项目“昆明市禄劝县铅厂水电站工程”输水隧洞地质竣工编录相关资料。
本文中所采用基本资料是严谨的、可靠的。
2.2对隧洞穿越强风化底界以下的宏观渗流分析
本文研究的山区地下水为潜水，山区隧洞的地质剖面中，有全风化层、强风化层、弱风化层、微风化层，四个岩层被全风化底界、强风化底界、弱风化底界分开。
根据潜水的性质，在全风化层中的地下水可看做孔隙水，强风化层中的地下水可看做风化裂隙水，弱风化层和微风化层中以成岩裂隙水和构造裂隙水的型式存在。
孔隙水和风化裂隙水水利联系较好，具有统一的地下水面。
成岩裂隙水和构造裂隙水在空间分布不均衡，层间岩体具有阻水作用，水在层间流动，具有固定的方向性。
穿越强风化底界以下的隧洞地下水，以成岩裂隙水和构造裂隙水的型式存在，在计算外水压力时，按照宏观的渗流介质各向同性去计算渗流与实际情况不相符。
如隧洞开挖完成后，洞壁有外水渗出的洞段空间分布很不均匀甚至有集中渗漏点出现，而集中渗漏点之相邻洞壁却无水渗出。
所以计算此类洞段时的外水压力，可近似把裂隙简化为平行板之间的裂缝，假定水流运动服从达西定律，根据单向无紊乱，粘性不可压缩介质的诺维撕托克斯（Navier-StokeS方程，可推导出单个裂隙的渗流公式，如果裂隙张开度为e,水的动粘滞系数为卩d,则单个
7e3
裂缝的渗透系数可按k旦进行计算，查明补给水面高程、渗流方向、渗流
12»d
长度、及排泄区高程后，可计算出隧洞位置未开挖之前的外水压力水利坡度J,
根据达西渗流公式计算出v，P。
此公式在雷洛数Re=Vd：
：
：
1~10时适用。
在这种近似的水力模型下，可将复杂的宏观渗流问题，简化为单个裂隙有压渗流问题。
根据裂隙张开度，裂隙层间整合度，裂隙间有无充填物质，充填物质的颗粒大小等综合考虑渗透系数，最终可估算出水力坡度。
本文以隧洞地质纵剖面图做简要说明，见图2-1，
趣■点.于层走向渗流示蔑F吕
图2-1山区隧洞典型纵剖面图
从图中可以看出垂直于洞顶的地下水受岩层阻隔，对隧洞位置的初始外水压力并没有直接和关键的控制作用，所以规范中取垂直于洞顶地下水位线与隧洞的距离作为初始外水压力计算值，是对于成岩裂隙水和构造裂隙水为主的隧洞是不妥的。
而靠天然降雨补给的山区地下水，主要以表层滞水、孔隙水和潜水的形式存在，影响深度有限，形不成稳定的渗流场，因此隧洞底板高程处于地表水如河流、湖泊、冲沟等的水面高程以上时，在考虑隧洞外水压力时，大可不计外水压力；当隧洞底板高程处于地表水如河流、湖泊、冲沟等的水面高程以下，或处于地下渗流场补给水源和排泄区高程中间时，应该在水文地质平面图上，充分了解隧洞工程区的地表水分布，及地表水面高程，等情况下，沿岩层走向剖剖面，连接补给水源高程和排泄区高程的线（相似于有压管流的水头线），以此线与隧洞的垂直距离作为外水压力计算初值比较合适。
对于通过断层洞段和以孔隙水、风化裂隙水为主的隧洞，可直接用隧洞地质纵剖上的地下水位线与隧洞之间的距离作为隧洞外水压力计算初值。
2.2对基本资料内容中地质及水文地质的统计
基于上一节山区地下水渗流分析，根据山区地下水存在的特殊性质，本文根据隧洞与强风化底界的位置、及穿越断层的情况，将隧洞穿越的洞段分为：
1、
位于强风化底界以上洞段；2、位于强风化底界以下洞段；3、穿越断层及断层影响带洞段。
并根据有无地表水源补给，如冲沟、河流、湖泊等，将1、2、3类再
分为无水源补给，有水源补给两个小类。
试图通过统计隧洞穿越几种有代表性的洞段时的岩壁渗水情况，及渗水段占相应隧洞洞段的比例，来指导不同围岩情况下外水压力折减系数的选取。
本文对“昆明市清水海供水及水资源环境管理项目引水工程”中具有代表行的的洒底隧洞、板桥河隧洞、葛根塘隧洞，及昆明市禄劝县铅厂水电站工程输水隧洞进行地质水文统计，统计结果见表1-1隧洞地质水文状况统计表。
隧洞名称
洞段分类
统计项目
位于强风化底界以上洞段
位于强风化底界以下洞段
穿越断层及断层影响带洞段
备注
无水源补给
有水源补给
无水源补给
有水源补给
无水源补给
有水源补给
洒底隧洞
（隧洞总
长3174m）
洞段长度
97
56
2792
50
179
围岩岩性主要为玄武岩，火山角砾岩，砂岩、凝灰岩，地下水位线到洞室中心线最大距离120m平均距离68m
有水渗出洞段长度（（m）
25
56
525
0
179
有水渗岀洞段所占百分比
25.77%
100.00%
18.80%
0.00%
100.00%
a、拱顶滴水（m）
30.00
115.00
b、拱顶滴水，两壁渗水（m）
238.00
c、顶拱及两壁渗水（m）
73.00
d、顶拱淋雨状滴水，两壁渗水（m）
56.00
99.00
179.00
板桥河隧
洞（隧洞总
长3960m）
洞段长度（m）
368
3312
100
180
围岩岩性主要为玄武岩，火山角砾岩，凝灰岩，地下水位线到洞室中心线最大距离90m平均距离
45m
有水渗出洞段长度（m）
49
215
12
180
有水渗岀洞段所占百分比
13.32%
6.49%
12.00%
100.00%
a、拱顶滴水（m）
b、拱顶滴水，两壁渗水（m）
c、顶拱及两壁渗水（m）
17
d、顶拱淋雨状滴水，两壁渗水（m）
49
198
12
180
葛根塘隧
洞（隧洞总
长1880m）
洞段长度（m）
200
1540
140
围岩岩性主要为泥岩，，砂岩，灰岩，地下水位线到洞室中心线最大距离
96m,平均距离40m
有水渗出洞段长度（m）
8
424
12
有水渗岀洞段所占百分比
4.00%
27.53%
8.57%
a、拱顶滴水（m）
8
11
b、拱顶滴水，两壁渗水（m）
274
12
c、顶拱及两壁渗水（m）
139
d、顶拱淋雨状滴水，两壁渗水（m）
铅厂电站
输水隧洞
洞段长度（m）
6298
920
45
隧洞分布规模大小不等的断层137条，
有水渗出洞段长度（m）
1280.44
866.1
32
（全长
7218m）
有水渗岀洞段所占百分比
20.33%
94.14%
71.11%
统计表中断层段只计入断层比较集中、规模较大的洞段。
外水压力水头最大
180m,平均60m
微滴水（m）
391.4
87
中滴水（m）
543.44
278.1
强滴水（m）
345.6
501
32
综合统计
有水渗岀洞段所占百分比
12.33%
100.00%
17.53%
8.28%
95.10%
94.22%
主要渗水状况
a
d
b~d
b~d
d
d
表1-1隧洞地质水文状况统计表
2.3对统计资料及基本资料的分析及研究
从统计结果和本文对隧洞穿越强风化底界以下隧洞宏观地下水分析结果比较吻合，就是地质纵剖图上的地下水位线与垂直于其底部的外水以成岩裂隙水和构造裂隙水为主的隧洞之间的距离与隧洞所受到的外水压力并无直接关联。
位于强风化底界以上洞段，由2.2中的统计结果不难看出，隧洞有水渗出洞段与有无外水水源补给有很大关系，当无外水补给时，岩壁渗水状况弱，外水压力对隧洞影响较小，当有外水补给时，岩壁渗水状况强，外水压力对隧洞作用影响高。
但是位于强风化底界以上洞段隧洞埋深浅，地下水位线与隧洞中心线的距离短，一般在20m以下，一般情况根据规范中外水压力折减系数值表取折减系数进行外水压力计算。
如对围岩进行固结灌浆堵水，可取较低的折减系数，对灌浆效果较好的情况，可不计外水压力。
位于强风化底界以下的洞段，由2.2中的统计结果不难看出，渗水情况与有无外水补给关系不大，围岩接近85%的洞段无渗水，有水渗出的洞段渗水状况有弱到强均有分布，有集中渗漏点。
根据统计及对基本资料的分析，可将强风化底界以下的岩层当做隔水层，岩层体越厚，隔水效果越明显，此时纵剖图上的地下水位对隧洞影响弱。
隧洞绝大部分洞段可以不计外水压力，对洞壁有渗水的情况，由于位于强风化底界以下的洞段，隧洞埋深都比较高，外水压力问题突出，这种情况下沿岩层走向剖剖面，连接补给水源高程和排泄区高程的线，以此线与隧洞的垂直距离作为外水压力计算初值，根据洞壁渗水情况选取适当的外水压力折减系数计算外水压力。
此种情况下如果对渗水状况强及有集中渗漏点的洞段采取注浆封堵措施，截断外水，或采用排水管引排外水的工程措施，对于整个位于强风化底界以下的洞段，可不计外水压力。
穿越断层及断层影响带洞段，由2.2中的统计结果不难看出，穿越断层的隧洞，有水渗出洞段与有无外水水源补给无直接关系，外水渗出状况强。
一般情况下，断层及断层影响带上，因为围岩破碎，通常为天然的地下渗水通道，或蓄水区，通过断层及断层影响带的洞段，外水压力高，较一般洞段突出。
一般情况根据洞壁渗水情况选取适当的外水压力折减系数计算外水压力。
但在隧洞施工过程中，这类洞段为塌方多发洞段，设计及施工对此类洞段都相当重视，设计一般会对此类洞段进行固结灌浆对围岩进行加固，加固完成后相当于注浆堵水，有效的降低了外水压力，这种情况下可根据灌浆后外水内渗情况，少计或不计外水压力。
2.4得出的结论
根据2.3中的分析及研究结果，对于非穿越喀斯特岩溶地区的山区隧洞有一定的代表性，在分析隧洞外水压力，及外水压力折减系数取值时，将隧洞分为位于强分化底界以上，位于强风化底界以下，及穿越断层及断层影响带洞段，及有无外水补给6种情况，分别进行对隧洞外水压力分析计算是合适的。
也不难看出对于此类地质条件相似隧洞工程，当采取一定的工程措施后，外水压力并不是一般隧洞设计中的主要矛盾。
3、不同设计理念及方法对工程及环境影响
3.1外水压力对隧洞工程的影响
（1）对设置排水孔的影响
根据传统设计理念，一般情况下在水工无压隧洞设计中，我们通常会在整条洞子顶拱处设置排水孔，规范也建议在无压洞中，宜在水面以上设置排水孔。
然由以上统计和分析结果表明，对于在强风化底界以下的洞段全段设置排水孔是无必要的，特别地采用钻爆法施工的隧洞，排水孔在开挖完成或隧洞衬砌以后才施工，在这种情况下其实已经了解了那些桩号部位的洞段有渗水，在这部分洞段设置排水孔就可以了，而且一般隧洞位于强风化底界以下的洞段占多数，根据实际情况设置排水孔的动态设计方法，能降低不少投资费用，缩短工期。
（2）对于结构配筋的影响[2][3]
对于位于强风化底界以下的隧洞，举一个过水断面为5mx6m，衬砌厚度为
0.4m,顶拱中心角120度的城门洞型隧洞，简要说明外水压力对隧洞结构的影响，假设外水压力为30米，外水压力折减系数取0.2。
山岩压力及参数取值按规范计算，不计内水压力，混凝土标号C20,采用双筋截面。
具体计算内容在此不作介绍，按计外水压力和不计外水压力两种工况计算，采用理正岩土程序进行结构配筋计算。
取1m单宽进行配筋计算。
a、不计外水压力工况：
直墙底部衬砌内侧纵筋最大面积As=984.8mmA2，外侧纵筋最大面积As1=984.8mmA?
其它部位按构造配筋670mmA2对直墙底进行截面及配筋加强，其余按构造配筋，综合取内外侧配筋截面为770mmA2
b、计外水压力工况：
直墙底部衬砌内侧纵筋最大面积As=2949.7mmA2,外侧纵筋最大面积As1=2949.7mmA2，其他部位在670mmA2到1597mmA2之间，对直墙底进行截面及配筋加强，综合取内外侧配筋截面为1900mmA2。
由以上两种工况，考虑外水压力时配筋截面比不考虑外水压力多配1130
mmA2的钢筋。
当隧洞位于强风化底界以下时，隧洞大部无渗水，取有渗水的部位占洞子比例为20%，采用统一考虑无水或有水，或区别有水和无水分别进行配筋，三种情况平均配筋截面为：
无水配筋770mmA2有水配筋1900mmA?
有水和无水区别进行配筋平均996mmA2对以上数据进行对比，不难看出，当对整条隧洞以有水进行配筋时，是无水配筋截面的2.47倍，是区别进行配筋的1.91倍。
因此对于位于强风化底界以下的隧洞，对于本例假定的情况，按照有水进行统一配筋，钢筋投资比无水增加近1.5倍，比区别配筋增加近1倍。
因此合理的对外水压力取值对工程有重要意义。
3.2隧洞设计对外水处理不同对环境影响
当隧洞采用布置排水管降低外水压力的措施时，汲取地下水，造成地下水位降低是大家的共识，如在清水海这个工程中，洒底隧洞在施工阶段没有对跨越冲沟的强风化洞段进行封堵，造成隧洞上部地表有地下水出流的水井在施工中后期干涸。
可以推测的是当地下水位降低时，毛吸水位也会跟着降低，那些根系不发达的植物将汲取不到水分，进而枯死，最终造成地表水土流失，进一步造成地表土地荒漠化。
隧洞打排水孔降低外水压力的做法，相当于汲取地下水，现在各种基础设施建设隧洞工程大量兴建，这些隧洞长期汲取地下水，或引排，会给沿线当地生态带来严重破坏。
4、以堵为主和以排为主的设计理念比较
本文根据统计结果发现采用以堵为主的降低外水压力的设计理念与传统的以排为主的理念相比较，工程投资并不见得增多，具体比较如下：
（1）以堵为主的设计减少了打排水孔的工程量，
（2）在断层带两种设计理念都需要固结灌浆，固结灌浆工程量相同，
（3）隧洞穿越强风化底界以下的V类围岩一般为构造裂隙带，存在渗水条件，在实际揭露围岩水文状况也是如此，两种设计理念都需要灌浆，故不存在增加灌浆工程量。
（4）在扣除穿越断层带，及V类围岩的洞段后，实际渗水的的洞段已经所剩无几，增加对此类围岩的灌浆的费用与减少打排水孔的费用应该大致相同，或在只在此类渗水洞段打排水孔，对地下水环境的影响也相对较小，同时减少工程投资。
（5）采用以注浆堵水为主设计的隧洞可不计或少计外水压力，衬砌配筋工程量也相应降低，对于钢筋投资来说也可省下大笔费用。
5、隧洞工程设计建议
对于山区水工隧洞设计，建议以堵为主的方式进行设计。
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