在地下水深埋区,特别是基岩山区,确定地下水径流量常常是很困难的。为此,在确定均衡区的范围时,应尽可能以隔水边界作为均衡区的边界,以便尽可能地免去地下径流量的计算工作量。......
2023-09-18
水文地质勘察：外水压力确定
【摘要】：为此许多学者对外水压力的折减系数进行更深入的研究,并提出了一些确定方法的建议。由上可见,迄今用于确定隧洞外水压力作用系数的方法仍是经验性的或半经验性的。
10.4.5.1 外水压力的概念
作用在隧洞衬砌外缘的水压力称之为外水压力。对于深埋的水工隧道,由于地下水位距隧洞中心线的水头已达数百米甚至2000m以上,外水压力值的大小对开挖工程的影响很大,因此如何合理分析并估算出作用在隧洞衬砌外表面的外水压力值是深埋隧洞工程地质勘察的重要任务之一[49]。
虽然表面上看来,外水压力是作用于衬砌外缘的面力,但由于混凝土衬砌是透水的,因此水对衬砌的作用是渗流体积力。当隧道衬砌和岩土介质紧密结合时,可以认为地下水的渗流运动是连续的,不仅存在于岩土体中,同时也存在于衬砌中,其力学作用可以理解为一种体积力,当衬砌不透水或渗透性极弱,并与岩土介质结合不紧密时,地下水从岩土介质中渗出,并以全部压力作用于衬砌的外表面时,体积力转化为边界力。在不少情况下,衬砌与岩土介质脱离,衬砌就成为承受外水压力的独立结构。正因如此,外水压力的大小,或外水压力的折减系数是水工隧洞设计中的一个重要参数[50]。
10.4.5.2 外水压力的估算
外水压力的计算方法首先是在水工隧道中提出和发展起来的。目前,外水压力的计算方法可以归结为以下五种[50]:①折减系数法;②理论解析法;③解析数值方法;④水文地球化学方法;⑤渗流理论分析方法。限于篇幅,本书仅介绍目前在水利工程中使用较多的折减系数法。
折减系数是指作用在衬砌上的外水压力水头与地下水位到隧道的水柱高之比为外水压力折减系数。地下水在隧洞上覆岩体渗流过程中会产生水力损失,相当于存在水头的折减,其折减系数(βe)可称之为岩体渗透折减系数。
按照SL 279—2002《水工隧洞设计规范》,作用在混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土衬砌结构上的外水压力为:
式中:Pe为作用于衬砌结构外表面的地下水压力,k Pa;βe为外水压力折减系数(即岩体渗透折减系数),可按表10-3取值;He为地下水位线至隧洞中心的静水头值,m;内水外渗时取内水压力;γw为水的重度,kN/m3,一般采用9.81kN/m3。
隧道衬砌后,因衬砌与围岩渗透性的差异,使作用在衬砌外表面的水压力发生变化,其衬砌透水性折减系数可用β2表示。若对围岩采取灌浆、排水等工程措施,其外水压力需再次折减,折减系数为β3。因此,作用于衬砌上的外水压力可表述为[49]:
式中:β2、β3为采取工程措施后产生的外水压力折减;其余符号意义同前。
表10-3 外水压力折减系数βe值(据SL 279—2002《水工隧洞设计规范》)
注 当有内水组合时,βe应取较小值;无内水组合时,βe应取较大值。
按式(10-63)知,作用于衬砌外缘的水压力(Pe)应恒小于地下水位到隧道轴线静水头值(He),但事实上,在不少情况下,外水荷载能远远超过山岩的压力[50]。
由于规范所推荐的取值方法存在许多不足,这主要是[49]:①在工程的前期勘察设计阶段,隧洞尚未开挖,无法取得地下水活动状态的资料,难以按表10-3中的地下水活动状态确定外水压力折减系数(βe)值;②表10-3中的βe值变化区间过大,且相邻级别的βe相互重叠,不尽合理,取值困难;③表10-3中没有阐明外水压力与工程、水文地质条件的关系,特别是与岩体渗透性的关系,不利于通过工程地质勘察确定βe值。为此许多学者对外水压力的折减系数进行更深入的研究,并提出了一些确定方法的建议。
宋岳等(2007)认为影响岩体渗透性的因素很多,包括地层岩性、地质构造、岩体结构类型、岩体结构面性状、地应力等。因此他认为以这些因素或条件建立与外水压力折减系数的关系比较全面合理,但过于复杂,难以在实际工程中应用。而岩体渗透性的强弱是岩体特性的综合反映,它涵盖了上述几种地质因素或条件,因而能较全面地反映出地下水可能的活动状态,也便于与外水压力折减系数建立相关关系。据此,宋岳等(2007)根据多个工程的实测资料,提出在隧洞的前期勘察阶段,外水压力折减系数(βe)可根据上覆岩土体的渗透性进行判定,其取值方法可查表10-4。此值在施工开挖阶段还要根据地下水的实际溢出状态再进行修正和验证(施工阶段确定βe可查表10-3)[49]。
表10-4 岩体渗透性与外水压力折减系数的关系(据 宋岳,2007)
此外,董国贤(1984)也根据前人的实践经验总结出折减系数βe的四种经验取值法[51]:①根据水文地质情况选取;②根据天生桥二级电站经验选取;③按围岩的渗透系数和混凝土衬砌渗透系数的比值确定;④按地下水运动损失系数(α)和衬砌外表面的实际作用面积系数(α1)的乘积确定。
国外对外水压力的取值也极不统一,目前大致有以下三种情况[50]:①折减系数法,即根据不同工程统计,折减值约在0.15～0.9,澳大利亚、美国及日本有时用此法;②全水头法(βe=1),美国及法国常用;③可能的最大水头值,美国、加拿大及巴西等国常将隧洞衬砌所承受的静水头计算到地表面。
由上可见,迄今用于确定隧洞外水压力作用系数的方法仍是经验性的或半经验性的。
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