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【摘要】高压水工隧洞是隧道工程中的一种特殊情况，为提高隧洞的安全性，透水衬砌的设计是十分必要的。本文就对隧洞透水衬砌的设计与优化方法展开分析，希望可以为高压水工隧洞的施工提供帮助。

【关键词】高压水工隧洞；透水衬砌；设计；优化方法

在一般的水工隧洞设计中，混凝土衬砌通常是被当成不透水材料的，但在高压水工条件下，如果继续采用传统设计方式，会造成衬砌厚度增大，施工难度、成本都会大大提升。对此，透水衬砌开始得到人们更多的认同，如何做好高压水工隧道透水衬砌的设计与优化，成为隧洞工程的一项重要工作。

1、高压水工隧洞透水衬砌的设计方法

1.1衬砌的开裂条件

在高压水工隧洞中，水压力相对较大，给衬砌产生应力作用，导致衬砌的环向应变随着水压力的增加而增大，当这种应变超出衬砌混凝土轴向抗拉应变，就会导致衬砌出现开裂，具体开裂条件为：，其中，代表衬砌环向应变，是衬砌混凝土设计抗拉强度值，是混凝土的弹性模量。

1.2衬砌等效渗透系数

衬砌的渗透系数与环向应变之间也是有联系的，其计算公式为，其中，即为衬砌等效渗透系数，代表衬砌环向应变，是裂缝间隙，、是水的容重与动力粘滞系数。其中，衬砌裂缝间隙又与钢筋直径、配筋率等有关，具体计算公式为：，其中，d表示的是受拉钢筋直径，p是配筋率，α1是计算系数，通常取0.16，v是钢筋表面形状系数，一般螺纹钢筋取0.7。

1.3衬砌环向应变

在高压水工隧洞中，衬砌受力是处于变化过程中的，随内水压力的增加，环向应变越来越大，先表现出开裂，然后再脱离围岩。在衬砌没有脱离围岩前，环向应变计算公式为：，其中，是隧洞净水压力，为内水压力与地下静水压力之差，、分别为围岩的泊松比与变形模量，、分别是钢筋的弹性模量与等效厚度，是隧道衬砌后平均半径。根据相关推论可知，衬砌最大裂缝宽度与衬砌脱离围岩时环向应变的关系为：。

2、高压水工隧洞透水衬砌设计的优化方法

2.1某高压水工隧洞透水衬砌概况

以某水电站工程为例，其引水隧洞采取的是圆形断面，衬砌混凝土强度为C25，厚度为0.4m，内水压力设计为5.0MPa，钢筋设计为6φ22mm，配筋率为0.57%，渗透系数为1*10-9m/s。在实际运行中，此隧洞衬砌裂缝宽度与等效渗透系数变化规律如图1所示，从中可知，在高压水工条件下，衬砌渗流场变化可以分为衬砌未开裂、开裂但未脱离围岩、与围岩脱离3个阶段，其中，变化最快的是在第二阶段，这与衬砌脱离围岩后，受到的内外水压差增加幅度减小有关。此外，此高压水工隧洞中，衬砌开裂是在内水压力增长到1.95MPa时开始的，与围岩的脱离是在2.38MPa，两数值差距只有0.43MPa，表明衬砌会在开裂后较短时间内就脱离围岩，而衬砌设计的最大裂缝宽度0.25mm能够承受的内水压力也只有2.52MPa，是较容易达到的，安全性相对较低，优化设计是十分必要的。

2.2优化方法

2.2.1衬砌厚度与围岩渗透特性的影响

在保持当前隧洞6φ22mm配筋设计的基础上，围岩渗透特特性为km=1*10-7-50*10-7m/s，衬砌厚度与限裂间的关系如图2所示，从中可知：（1）在围岩渗透系数固定不变的条件下，单单增加衬砌厚度，限裂的最大值相较于原有衬砌厚度下降幅度是十分小的，以5*10-6m/s渗透系数为例，在初始衬砌厚度基础上增加0.3m，限裂最大值降低幅度为3%；（2）在衬砌厚度不变条件下，将围岩抗渗特性降低，对限裂最大值可以起到较好的降低效果，比如km值从5*10-6m/s降至1*10-7m/s，限裂最大值可以降低0.25mm以下。从上述可知，在透水衬砌优化设计中，降低围岩抗渗特性是改善衬砌抗裂设计的有效途径，但可能会出现富余情况，且在施工技术难度、工期以及成本上是有所增加的。

2.2.2配筋率与围岩抗渗特性的影响

在保持当前隧洞衬砌初始0.4m厚度不变的基础上，增加配筋率对衬砌限裂设计的影响如图3所示，从中可知：（1）随着衬砌配筋率增加、围岩抗渗特性的降低，衬砌的安全性会有显著提升，且围岩抗渗特性的影响作用更大。（2）对于透水衬砌的优化设计，联合运用增加配筋率、降低围岩抗渗特性的方式，衬砌限裂设计值可以降至0.25mm之下，满足此工程对衬砌裂缝宽度的要求。

综上，在对高压水工隧洞的透水衬砌进行优化设计时，最合适的方式是降低衬砌最大的裂缝宽度，实现此目标的优化方法主要有提高围岩抗渗特性、增加衬砌的配筋率，在必要条件下，可以采取增加衬砌的厚度来进行辅助，最大程度的提高限裂设计安全性，为高压水工隧洞透水衬砌的安全使用创造良好条件。

结束语：

综上所述，随着现代隧洞施工技术的发展与进步，隧洞工程面临的地质条件、外部环境更为复杂，衬砌作为隧洞的关键组成部门，不同类型的隧洞，对衬砌设计有着不一样的要求，如何提高衬砌设计水平是一项十分重要的工作。高压水工隧洞是较为常见的一种，由于内水压力普遍较大，将衬砌当成不透水材料的设计方式是无法满足此隧洞要求的，透水衬砌理论开始被广泛应用到实际工程中，了解隧洞水压增长过程中透水衬砌的受力与变化情况，掌握相应的设计方法，通过增加配筋率、降低圍岩渗透特性等优化方式，提升高压水工隧洞衬砌设计的合理性，对隧洞施工的进步是有重要意义的。

参考文献：

[1]李腾，苏凯，张智敏，伍鹤皋.高压水工隧洞透水衬砌设计与优化方法[J].岩石力学与工程学报，2017，36（S2）：4047-4053.