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1、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
2、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 2 000 m 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 (e ) 。表 1 地下水活动状态与外水压力折减系数值e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001200110014012洞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
3、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 (e ) 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 2 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01250160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
4、 刷 结 构 面 中 充01400180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 3 。因此 ,外水压力可表述为 :Pe =e 23wHe式中 , 2 、3 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 (e ,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
5、系作用于衬 砌 上 的016511005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 , e 应取较小值 ; 无内水组合时 , e 应取较大值 。(2) 在隧洞施工阶段 , 虽然可以根据表 1 判定 e 值 , 但因 e 值变化区间大 , 且相邻级别的e 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
6、地质勘察确定 e 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 (e ) 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 (e ) , 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
7、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 , e 值在 0110 之间 , 这种相关关系本质上是与岩土体渗透性和 e 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
8、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 5070 m , 透水率 q = 2 7 Lu , 个别 10 Lu ; 埋深 50 70 m 以 下 , 透 水 率 q 2
9、 Lu , 不 少 地 段 q = 0 ; 断层或张开裂隙岩体透水率 q 5 Lu 。勘察阶段外水压力折减系数地质建议值为 : 埋深 70 m 以内 ,e = 018016 ; 埋深 70 150 m ,e =016014 ; 埋深 150300 m , e = 014012 ; 埋深300500 m , e = 013011 。 勘察阶段一期工程高压引水隧洞充水前岩体中外水压力实测成果见表 5 。表 2地下水活动状态与外水压力折减系数关系外水压力折减系数 e级 别地下水活动状态0 e 011011 e 012012 e 014014 e 016016 e 018018 e 110 12345
10、干燥 渗水缓慢滴水 缓慢滴水 快速滴水快速滴水 线状流水线状流水 小股状流水 6 股状流水或涌水2岩体渗透性与地下水活动状态根据引黄入晋工程和引滦入津工程的经验 ,隧洞涌水量与地下水状态大体有如下关系 ,如表 3 所示 。表 3 涌水量与地下水活动状态关系表涌水量/ (Ls - 1m - 1)地下水活动状态 0110以潮湿或干燥为主以滴水为主 以线状滴水 、流水为主 ,局部股状流水以线状流水为主 ,局部股状涌水南水北调东线位山穿黄 (河) 试验洞工程 , 将钻孔压水试验成果与地下水活动状态对照 , 也有较好 的相关性 , 见表 4 。表 4 位山穿黄试验洞钻孔压水试验成果与隧洞地下水活动状态透
11、水率占洞长的地下水活岩体及岩溶状况完整岩体 , 无 岩 溶 裂 隙渗透性 / Lu 百分数/ % 动状态极微 微透水 q 11054干燥 潮湿弱透水110 q 10中等透水 10 q 100岩 体 较 完整 , 有岩溶裂隙19滴渗 线状流水17表 5压力隧洞充水前岩体中外水压力观测成果表100 q 1 0005涌水 、突水 、 为岩溶发育外水压力折减系数e从渗压计到地下水位高差/ m涌 砂 等 , 实测外水压力接近或等于70 m 水头的 断 层 带 、岩溶大裂隙等渗压计编号渗压计水位高程/ m实测水头/ m位置强 极强透水q 1 00050130001100011440110001038渗 1
12、渗 2 渗 7 渗 8渗 9上斜井中平段 高压岔管 高压岔管高压岔管7565992942882421246036164045416398424在极微 微透水岩体洞段 ,洞壁为干燥 潮湿状 ,其外水压力折减系数趋近于 0 ; 在强 极强透水 的岩溶 、断层发育段 , 呈股状 涌 水 , 其 e 值 趋 近 于110 ; 在 弱 中 等 透 水 洞 段 , 地 下 水 呈 滴 线 状 溢 出 , e 值介于 0110 之间 。上述成果说明 ,岩体渗透性自上而下随深度的增加逐渐减弱 , 地下水外水压力折减系数值逐渐变小 。根据岩体渗透性勘察资料与外水压力实际观测 成果 , 二者的相关关系归纳如表 6
13、 。31112万家寨引黄入晋工程南干线 7 # 隧洞南段7 # 隧洞南段地层主要为三叠系铜川组 ( T2t ) 及 下侏罗系大同组 (J 1 d) , 岩性为中厚层砂岩夹少量薄层泥质岩 。地下水类型以裂隙潜水为主 , 深部有3根据岩体渗透性确定外水压力折减系数311岩体渗透性与外水压力的相关性影响岩 体 渗 透 性 的 因 素 很 多 , 主 要 有 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 , 以这些因素或条件建立与外水压力折减 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All
14、rights reserved. http:/40 水利水电工程设计DWRHE 2007 年 第 26 卷 第 3 期表 6 广州抽水蓄能电站岩体渗透性与外水压力折减系数渗透性指标实测外水压力折减系数 e岩性及风化程度埋深/ m渗透系数 K/ (cms - 1) 及等级透水率 q/ Lu全强 弱风化中上部花岗岩弱风化中下部 微风化花岗岩 新鲜花岗岩 断层及张开大裂隙50707015015050011002总体上小于上部岩体10 - 5 10 - 4一般 013 左右一般 012 一般 011 地质建议值 014018弱透水10 - 6 10 - 5 极微 微透水极微 微透水渗透性指标明显大于一
15、般岩体410 kPa 约 1215 41 m 水 柱 高 , 由 于 围 岩 渗 水 点弱富水的承压含水层 。7 # 隧洞采用双护盾 TBM 施工 。回填豆砾石进 行灌浆后 ,在 3 674 环 E 孔 、9 641 环 E 孔 、10 386 环G 孔 ( 3 处 桩 号 分 别 约 为 96 + 000 、87 + 772 和86 + 679 处) ,即在衬砌管片的围岩灌浆孔中实测外 水压力 , 成果见表 7 。实测外水压力水头为 125多 ,难以全部封闭 , 实测成果可能略偏低 。表 7 成果显示 : 微 极微透水岩体隧洞地下水呈滴渗水状态溢出时 , 其外水压力折减系数 (e ) 一般为
16、 0 012 ; 埋深 200 340 m 洞 段 大 部 为 无 水 状 况 ,其 e = 0 。7 # 隧洞外水压力观测及地质情况表表 7外水压力折减系数e地下水位距隧洞距离/ m实测外水压力/ m岩体渗透性隧洞埋深/ m观测点桩号钻孔抽水试验综合 K 值/ (cms - 1)渗透性分级121541104110010960117101164517 10 - 4110 10 - 6517 10 - 4110 10 - 6517 10 - 4110 10 - 696 + 00087 + 77286 + 679200320325130240250上部风化岩带为弱透水 ;下部新鲜岩石为微 极微透水
17、312岩体渗透性与外水压力折减系数相关关系根据以上工程实测资料等成果 ,笔者提出在隧 洞前期勘察阶段 ,外水压力折减系数 (e ) 可根据上 覆岩土体渗透性进行判定 , 其相关关系见表 8 。表 8 岩体渗透性与外水压力折减系数阶段 ,根据地下水活动状态确定外水压力折减系数 。在前期勘察设计阶段根据岩体的渗透性确定e 值 ,可以认为是初步的判定 ; 在施工开挖中根据地下水溢出状态确定 e 值 ,可以认为是复判 ,具有 验证 、修正和完善的意义 。参 考 文 献1 陈云长 ,张辅纲 1 水力发电 1 北京 :水利水电出版社 ,2001渗透系数K/ (cms - 1)外水压力折减系数e透水率q/
18、Lu渗透性等级K 10 - 610 - 6 K 10 - 510 - 5 K 10 - 410 - 4 K 10 - 210 - 2 K 100K 100q 011011 q 11 q 1010 q 100q 100 q 1000 e 011011 e 012012 e 014014 e 018018 e 1018 e 1极微透水微透水 弱透水中等透水 强透水 极强透水作者简介宋 岳男 教授级高工 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222贾国臣男司 男司高 工 中水北方勘测设计研究有限责任公天津 300222高 工 中水北方勘测设计研究有限责任公隧洞上覆岩体渗透性 ,可根据压水试验
19、 、抽水试验 、注水试验 、室内渗透试验和物探流量测井等手段 结合对水文地质条件的认识来确定 。当存在不同渗透性的岩层或岩组时 ,应采用加权平均的方法计算 渗透系数 。当隧洞穿过承压含水层时 ,外水压力可直接采 用钻孔中实测的水头 。当承压含水层富水性和补给 条件很差时 ,也应适当进行外水压力折减 。滕杰天津300222(收稿日期 2007 - 06 - 06)欢迎订阅水利水电工程设计杂志合订本为满足广大读者 、图书馆和资料室的收藏 , 现有部分2003 年 , 2004 年 , 2005 年和 2006 年 水利水电工程设计 杂志合订本出售 , 每年为 1 卷 , 每卷定价 60 元 。预购
20、 者 , 直 接 邮 汇 至 水 利 水 电 工 程 设 计编 辑 部 。 地址 : 天津市河西区洞庭路 60 号 , 邮编 : 300222 , 联系电话 : 022 - 287028544结语在隧洞工程不同勘察设计阶段应运用不同的外水压力折减系数确定方法 。前期勘察阶段 ,可以根 据岩体渗透性确定隧洞外水压力折减系数 ; 在施工 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ABSTRACTThe Design of Mortar Stone Course D
21、ouble Curvature Da m of Da ba kou ReservoirZhao Guojie , Feng Shaohui , Cheng Xiaoming , Zhao Xinbo( China Water Resources Beifang Investigation , Design and Research Co . Ltd. , Tianjin ,300222)The mortar stone course double curvature dam of Dabakou reservoir is designed at the present dam axis com
22、binig the existing curvaturedam and the original dam body is used at most limit in the design. In this design , the retaining structure , the discharge structure and sediment flushing structure and intake structure are all reasonably arranged and they can be referenced by other projects.Key words :
23、mortar stone course , double curvature dam , much sediment , stress the stability of dam abutment , Dabakou Reservoir.The Problems and the Improving Suggestions f or Conventional CalculationMethod of Po wer Generation Dispatching Dra wings of ReservoirWang Ping( Shanghai Investigation , Design and R
24、esearch Institute , Shanghai ,200434 )In the light of the problem existed in conventional compiling method of reservoir power generation dispatching drawings , the improving thought and method are put foreword in the paper. With the improved method , the reduced output line , the output anti - destr
25、oy line , the power generation dispatching line of reservoir are calculated by long serial lasted data and the runoff adjustment can be done synchronously. After it is tested by many projects , it is shown that the reservoir dispatching drawings can be compiled coveniently and accurately by the impr
26、oved method and it can also coordinate the relations between each dispatching task. The calculating results of reservoir dispatching and runoff adjustment are also unified.Key words : reservoir , dispatching drawing , power generation , runoff adjustment , long serial lasted method.The Engineering G
27、eological Research f or the Reduction Factor of Tunnel External Water PressureSong Yue , Jia Guochen , Teng Jie( China Water Resources Beifang Investigation , Design and Research Co . Ltd. ,Tianjin ,300222)It is recommended inThe Design Specification of Structure Tunnel( SL279 2002) that the reducti
28、on factor of external water pressure is determined according to the moving state of underground water and this method is lasted for many years in water conservancy field and the problem of using difficultly in fore - stage investigation stage is existed. It is suggested in this paper that the reduct
29、ion factor of external waterpressure can be determined according to the permeability of rock mass in fore - stage investigation and design stage for tunnel projects. During the construction stage , the reduction parameter of external water pressure can be determined according to the exit state of un
30、derground water and the fore - stage results must be verified and revised.Key words : tunnel , reduction factor of external water pressure , permeability factor , moving state of underground water , relative .The Design and Execution f or Construction Control Net work of LongkouWater Control Project
31、 on Yello w RiverWang Weiguo , Hui Wuquan , Cao Weibin( China Water Resources Beifang Investigation , Design and Research Co . Ltd. , Tianjin ,300222)During the construction of hydroelectric projects , the requirement for accuracy becomes more important and construction control survey is the importa
32、nt insurance for the project to be conducted smoothly , therefore , the technical difficulties of how to arrange the site by combining the local topographical condition , how to solve the difficult problems in the reasonable design and execution of construction control network survey shall be introduced in this paper.Key words : Longkou Water Control Project , ionstruction control network , data treatment ,accuracy statistics. 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/