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隧洞外水压力折减系数工程地质研究宋岳贾国臣滕杰摘要《水工隧洞设计规范》(SL279—2002)推荐根据地下水活动状态确定外水压力折减系数,这种方法在水利行业已延续使用了几十年,存在前期勘察阶段使用困难的问题。提出在隧洞工程前期勘察设计阶段可根据岩体渗透性确定外水压力折减系数;施工阶段根据地下水溢出状态确定外水压力折减系数,并对前期成果进行验证和修正。关键词隧洞外水压力折减系数渗透系数地下水活动状态中图分类号TV554文献标识码B文章编号100726980(2007)0320038203作用在隧洞衬砌外缘的水压力称之为外水压力。随着隧洞工程的大量涌现和向深长方向发展,地下水位距隧洞中心线的水头已达数百米至2000m以上,如何合理分析估算作用在隧洞衬砌外表面挖,无法取得地下水活动状态的资料,难以按表1中地下水活动状态确定外水压力折减系数(βe)。表1地下水活动状态与外水压力折减系数值βe级别地下水活动状态地下水对围岩稳定的影响的外水压力对工程影响很大,勘察的重要任务之一。是深埋隧洞工程地质0014012洞壁干燥或潮湿无影响沿结构面有渗水或风化结构面充填物质,滴水地下水降低结构面的抗剪强度,对软弱岩体有软化作用目前常采用外水压力修正系数法估算隧洞外水压力。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。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3沿裂隙或软弱结构泥化软弱结构面充填物面有大量滴水、线质,地下水降低结构面0125～0160状流水或喷水的抗剪强度,对中硬岩有软化作用4严重滴水,沿软弱地下水冲刷结构面中充0140～0180结构面有小量涌水填物质,加速岩体风化,对断层等软弱带软化泥化,并使其膨胀崩解以及产生机械管涌,有渗透压力,能鼓开较薄的软弱层次折减,折减系数为β3。因此,外水压力可表述为:Pe=βe·β2·β3·γw·He式中,β2、β3为采取工程措施后产生的外水压力折减,不属于工程地质研究的范畴。以下仅针对岩体渗透折减系数(βe,即外水压力折减系数)如何确定进行探讨。1根据地下水活动状态确定外水压力折减系数111《水工隧洞设计规范》推荐的经验关系作用于衬砌上的0165～11005严重股状流水,断地下水冲刷携带结构面层等软弱带有大量充填物质,分离岩体,涌水有渗透压力,能鼓开一定厚度的断层等软弱带,能导致围岩塌方注: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。(2)在隧洞施工阶段,虽然可以根据表1判定βe值,但因βe值变化区间大,且相邻级别的βe值相互重叠,不尽合理,取值困难。(3)表1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。112对表1的修正笔者总结引滦入津、引黄入晋工程和南水北调东线穿黄探洞实际观测资料,对表1予以修正,见表2。表2中地下水在围岩的活动状态共分为6个级别,涌水量由小到大,相应的外水压力折减系数也《水工隧洞设计规范》(SL279—2002)附录H,推荐外水压力折减系数(βe)按地下水活动状态确定,具体关系如表1。根据开挖隧洞地下水活动状态来确定外水压力折减系数(βe),该种方法在我国水利水电隧洞工程中已沿用了几十年,主要存在如下几方面问题。(1)在工程的前期勘察设计阶段,隧洞尚未开宋岳等·隧洞外水压力折减系数工程地质研究·39·由小到大,βe值在0～110之间,这种相关关系本质上是与岩土体渗透性和βe值的关系相一致的。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。岩体渗透性的强弱是岩体特性的综合反映,涵盖了上述主要地质因素或条件,能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。地下水赋存于岩体的裂隙和孔隙中,并产生渗流,隧洞则处于地下水渗流场中。地下水在渗流过程中因受裂隙或孔隙摩阻力和水的物理性质(如粘滞力)的影响,会产生水头损失。岩体渗透性越弱,则水头损失就越大,反之则越小。因而当隧洞围岩体的渗透性越弱,其开挖涌水量和外水压力越小,也即相应的外水压力折减系数也越小,甚至趋近于零。反之,岩体的渗透性越强,则隧洞涌水量和外水压力越大,相应的外水压力折减系数越大。这个基本规律,在工程实践中已得到证实,现举例说明如下。31111广州抽水蓄能电站电站主要地层岩性为燕山期中粗粒(斑状)黑云母花岗岩,地下水类型主要为基岩裂隙水,深部有脉状裂隙水。从地表向深部岩体渗透性逐渐减弱,埋深50～70m,透水率q=2～7Lu,个别10Lu;埋深50～70m以下,透水率q2Lu,不少地段q=0;断层或张开裂隙岩体透水率q≥5L