【摘要】在水利水电建设工程中 ，水工隧洞可以为工程提供完善的电力，可以为周边打通水利运输的通道。水工隧洞由于应用广泛，近年来得到大家广泛的关注 。水工隧洞是引水工程中的重要部分，在水力建设中起到了举足轻重的作用。水工隧洞初砌时，需要考虑的一个重要参数就是外水压力，它直接关系到水工隧洞的使用寿命和能否承受水的压力荷载，因此，在水工隧洞设计中，外水压力的准确测定是关键。本文针对滇中引水工程玉溪段穿越软岩地区的深埋长隧洞——小扑隧洞进行有限元渗流场初步分析。本文首先分析小扑隧洞的基本情况，然后利用有限元渗流场建模进行初步分析。最后分析讨论外水压力值，为设计提供数据参考。
【关键词】水工隧洞；外水压力；有限元渗流场
引言
我国是一个水利大国，水工隧洞在水利工程中随处可见，作为引水工程的重要途径，水工隧洞的设计一直备受关注，水工隧洞的设计和挖掘，受多方面因素的影响，不同地区的地质条件，地下水的丰富程度等都有所不同，水工隧洞初砌时混凝土的用量和配筋量也有所不同。因此确定隧洞的外水压力，地质环境，从而确定隧洞的材料用量，是设计人员重点关注的问题，也是保证隧洞可以正常运行的关键参数。隧洞外水压力的测定有很多方法，常见的有外水压力折减系数法和有限元渗流场分析法，本文就有限元渗流场法对滇中引水工程玉溪段小扑隧洞的外水压力进行分析讨论。
1、工程概况
滇中引水工程位于云南省中部，涉及金沙江、澜沧江、红河、南盘江四大水系，是国务院要求加快推进建设的172项节水供水重大水利工程之一。滇中引水工程任务为：以城镇生活与工业供水为主，兼顾农业和生态用水。工程供水范围涉及大理、丽江、楚雄、昆明、玉溪、红河六个州（市）的35个县（市、区）。输水工程采用无压自流输水方式，划分为大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及红河段6段，线路总长664.236公里，工程总投资为8267717万元。
玉溪段位于金沙江、南盘江两大水系分水岭地带，是滇中引水工程输水干渠的组成部分之一。玉溪段输水总干渠起点为昆明新庄（与昆明院节点），末点为玉溪市与红河州分界的曲江，干渠建筑物主要有隧洞、渡槽、暗涵、倒虹吸、消能及控制建筑物，建筑物以隧洞为主，其中隧洞8条，长72.775km，占线路总长的94.43%。
小扑隧洞为玉溪段线路渠首建筑物，横穿晋宁、江川两县，隧洞全长32.1km，是玉溪红河段最长的隧洞。小扑隧洞在平面上设置8个转弯段，转弯半径R=30m。隧洞沿线穿越地层主要有：
Pt1m板岩、粉砂质板岩、变质粉砂岩、Zac长石石英砂岩、粉砂岩夹泥岩、砾岩、Zbdn白云岩、∈1q、∈1m页岩、粉砂质页岩、P1d铝土岩、页岩夹煤线、P1q+m白云岩夹白云质灰岩，中厚～厚层状。P2β玄武岩夹凝灰岩、T3y紫红、灰黄色长石砂岩夹泥岩为主。
2、外水压力分析
隧洞沿线含水层以裂隙水、岩溶水为主。裂隙水：主要分布非可溶岩地层中，地层透水性以弱～中等为主。隧洞沿线的碎屑岩地层内发育的向斜构造部位地下水均具有一定的承压性质，承压水头0.25～0.45MPa。
根据勘探钻孔揭露输水线路地下水埋藏情况，小扑隧洞多位于地下水位以下，部分深埋隧洞段外水水头较高，最高达227m。因此，需要对外水压力的折减做必要的分析，为结构设计提供依据。
2.1目前对外水压力的分析处理方法
国内目前对外水压力的分析处理， 主要有 2 种方法，一种是把外水压力作为面力，另一种是把外水压力当作体积力。前一种是推荐的方法，也是设计人员常采用的，其概念简单，易于用结构力学法进行分析计算；后一种采用渗流场理论，较为符合外水压力作用的实际情况，但隧洞周围的岩石节理及裂隙情况千差万别，难以较为准确地模拟，其计算结果与实际受力情况可能有较大的差别。
通常，在设计工作中把外水压力当作面力来处理，一般情况下，地下水位线可根据水文地质条件分析确定，但外水压力的取值差别较大，关于外水压力的取值主要有如下几种方法：一种是当无压隧洞和地下洞室设置排水设施时，可根据排水效果和排水设施的可靠性对外水压力标准值的作用水头作适当折减， 其折减值可采用工程类比法或渗流分析确定；另一种是地下水压力标准值，可采用地下水位线以下的水柱高乘以相应折减数估算。
以上方法主要涉及折减系数和设排水后的折减，由于其可操作难度大， 处理具体情况仍难以取舍： 折减系数取值过大， 不仅显得保守和不经济， 而且有时甚至无法实现设计意图； 折减系数取值过小，结构的安全又难以保证。设排水后的折减也有同样的问题，而且还要考虑排水失效的可能性。故外水压力的取值需要认真分析，合理取值。
2.2外水压力大小、分布及成果分析
把外水压力当作面力进行分析， 主要考虑 2 种情况： 一种是把外水压力作用在衬砌边缘上，另一种是把外水压力作用在衬砌外缘的岩石固结圈上。之所以要考虑外水压力作用在衬砌外缘的岩石固结圈上，是因为水工隧洞在进行固结灌浆且设置锚杆后，保证了衬砌与岩石的联合作用， 由于固结灌浆的作用，使得衬砌周围的岩石渗透系数减小，客观地使外水压力作用在衬砌外缘的岩石固结圈上。外水压力大小及分布计算方法主要采用外水压力折减系数法和渗流分析确定。
本文主要通过地下水力学中外水压力计算公式及有限元法模拟隧洞外水渗流来对小扑隧洞外水压力进行分析，通过两种方法的结果对比，探求外水压力合理的计算方法。
3、公式法
由地下水水力学，采用图1所示的简化计算模型。假定围岩为各向同性均匀连续介质，隧洞为圆形，地下水头设为H，水流为稳定流，其运动规律服从Darcy定理，水在水头下降的瞬间就释放出来，并假定隧洞的排水是通过衬砌均匀渗水实现的。根据公式可推导出隧道中无内水压时地下水排放量Q和衬砌外水压力P 以及注浆圈外的渗透水壓Pg 的计算公式。
計算选取4+881.500处断面，断面尺寸为5.58m×5.58m，断面处隧洞底板高程为1877.782m，地下水位高程为2104.468m，隧洞内设计水位高于隧洞底板3.437m。根据不同的情况，主要对三方面进行分析：隧洞开挖前围岩初始工况，隧洞开挖衬砌后正常通水工况以及衬砌外围进行注浆的堵水限排工况.渗流场计算所需材料参数：1）围岩：D/3zg灰岩、白云岩，其渗透系数k1=2.92e-6 m/s；2）衬砌：C25混凝土材料，其渗透系数为1.0e-10 m/s；考虑设排水孔的折减，渗透系数计算取值为k2=4.21e-7 m/s；（根据渗流理论推测进行折减）3）注浆圈砼：其渗透系数k3=2.47e-7 m/s（q=3lu）。各工况计算结果见下表：
4、有限元法
4.1 有限元模型
小扑隧洞为马蹄形断面，断面尺寸为5.58m×5.58m。所选的计算断面为4+881.500，以该截面为中心，前后长度各取5m，围岩范围尺寸以隧洞净尺寸宽的10倍取整进行三维建模，如图，为有限元模型。隧洞长度方向为Z轴，竖向为Y轴，垂直隧洞走向为X轴，本次分析计算道德高程系统为隧洞所在大地坐标的真实高程系统，围岩及初砌采用八节点六面体单元进行模拟，共划分单元总数51420个，节点总数55146个。
4.2 隧洞荷载及边界条件建模
对隧洞开挖前、开挖衬砌蓄水、及考虑注浆圈后的渗流场进行模拟。计算参数及计算工况与公式法相同。
计算出当前状况下不同结构下的外水压力值，计算结果如图所示：
5、结果分析
对比上述两种计算方法结果，可以看出，各工况下公式法及有限元法计算结果比较接近，无固结灌浆和有固结灌浆相比，无论是洞底还是洞顶，所受到的外水压力值都减小，但减小效果不明显；而设置排水孔与不设置排水孔相比较，设置排水孔后所受到的外水压力值大大减小，由此可见，对隧洞周围的岩石进行固结灌浆灌浆可以降低隧洞周围所受到的外水压力，而设置排水孔则可使衬砌承受外水压力大幅减小。因此，笔者得出结论，对于水工隧洞，减小外水压力最直接有效的措施便是在衬砌上设置排水孔；对于涉及地下水环境问题的洞段，则应采取固结灌浆去+排水孔的综合措施。
6、结语
水利工程中隧洞设计条件复杂，不确定因素较多，外水压力的取值直接关系到隧洞结构设计的合理性。单纯的根据外水压力折减系数进行简单的折减，不尽合理。本文通过地下水力学外水压力计算方法及有限元渗流分析，初步探索出一个外水压力计算的方法，分析时考虑了灌浆圈、排水孔对外水水头的折减效果，相对合理，且此种方法已经应用于滇中引水工程初步设计中。滇中引水工程全面开工在即，届时，可根据实际开挖情况，验证并优化外水压力分析理论，对以后水工隧洞设计具有重大指导意义。
参考文献：
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