水平旋流消能泄洪洞的主要成果及应用

5.4.3.1　主要成果

（1）由有限元法渗流场的计算分析，当考虑隧洞固结灌浆效果后，衬砌外围的压力水头值有所减小，说明衬砌外围岩体进行固结灌浆不仅能提高围岩的承载力，对减小外水压力也有一定的作用；考虑排水效果后，衬砌外侧的渗流水压力比不考虑排水效果减小，对顶拱和底部减小的幅度不同，顶拱部位减小幅度很大，说明布置了排水孔能有效地降低衬砌承受的外水压力，设置排水孔是非常必要的。

（2）通过结构力学法与有限元法计算结果对比分析表明，结构力学法计算的结构内力及配筋结果均较有限元法的计算结果偏大，按照结构力学法的计算结果进行衬砌结构设计是能满足水库蓄水后水平旋流消能泄洪洞在外水压作用下衬砌结构的安全和稳定要求的，对围岩进行固结灌浆以及锚杆和排水孔的设置是必要的，衬砌的结构设计是合理的。

（3）通过有限元法计算结果对比分析表明，水垫塘、退水洞段段衬砌在外水压力的作用下，不考虑新老混凝土交接面的计算方案中，老混凝土衬砌的应力及锚杆的应力比考虑新老混凝土交接面的计算方案要小，而新混凝土衬砌应力变大，说明新老混凝土结合度地好坏，对新老混凝土共同承担外水压，提高衬砌的抗外压稳定性起着关键作用。因此一般情况下在改造段新老混凝土界面凿毛并设置短插筋，在顶拱范围设置纵横向暗排水管系统，从而提高新老混凝土的整体性，降低改造段外水压力是必要的，也是合理的。

5.4.3.2　成果应用

公伯峡水电站水平旋流消能泄洪洞按结构力学法设计，经有限元法计算分析复核，已全部采用和实施。根据施工期及泄流试验的原型监测资料也表明，监测资料与计算基本一致，整体结构安全，工作状态良好。

5.4.3.3　结论(www.xing528.com)

（1）由有限元法渗流场的计算分析，当考虑隧洞固结灌浆效果时，围岩固结圈内水力梯度变大，外水压力水头有所降低，考虑围岩固结灌浆圈时衬砌外围的压力水头值要比不考虑围岩固结灌浆圈时要小2～11m，说明衬砌外围岩体进行固结灌浆对提高围岩的承载力和减小外水压力都具有一定的作用；考虑排水效果后，衬砌外侧的渗流水压比不考虑排水效果时一般减小12～32m，尤其是隧洞顶拱部位更为明显，说明布置了排水孔能有效地降低衬砌承受的外水压力，设置排水孔是非常必要的。

（2）由竖井段及水平旋流段的三维有限元计算分析可知，在外水压力作用下竖井收缩段与水平旋流段相贯的周围部位为衬砌的受拉区，是衬砌配筋的关键部位和重点部位，但由于该部位配置了4排32mm@20cm的钢筋，计算最大钢筋应力为140MPa（不考虑灌浆及锚杆作用），最大钢筋应力仍在Ⅱ级钢筋强度310MPa以内，衬砌配筋基本合理，能够满足结构承载力要求；其他部位衬砌绝大部分都在受压区内，且最大压应力量值也在衬砌混凝土的抗压强度内，衬砌在外水压力作用下，按构造配筋即可。

（3）由水垫塘段及退水洞段的计算分析可知，在外水压作用下，衬砌内环向均为压应力，衬砌在拱座和底角处有应力集中的现象，但量值都在衬砌混凝土强度以内，衬砌结构按构造配筋即可。衬砌锚杆的设置以及排水孔的设置均有利于减小外压作用下衬砌结构的应力，提高衬砌结构的抗外压的承载能力；衬砌新老混凝土的交接面的存在会使老期混凝土承担较大比例的外水荷载，施工时对老混凝土衬砌表面凿毛，设置插筋，能增加衬砌结构的整体性，提高衬砌结构的稳定性。锚杆、排水孔及插筋的设置是合理的。

（4）通过结构力学法与有限元法计算结果对比分析，通过结构力学法计算的结构内力及配筋结果均较有限元法的计算结果偏大，按照结构力学法的计算结果进行衬砌结构设计是能满足水库蓄水后水平旋流消能泄洪洞在外水压作用下衬砌结构的安全和稳定要求的，对围岩进行固结灌浆以及锚杆和排水孔的设置是必要的，衬砌的结构设计是合理的。

（5）关于外水压力的取值，DL／T5195—2004《水工隧洞设计规范》和DL5077—1997《水工建筑物荷载设计规范》，均根据围岩地下水活动状态，结合采用的排水措施等情况选用折减系数。从渗流计算成果分析，围岩进行固结灌浆后，可减小衬砌表面外水压力。因此，建议将固结灌浆作为选用折减系数的因素之一。排水设施减小外水压力的作用对顶部和底部的影响是不同的，因此，建议考虑排水作用时，顶部和底部采用不同的折减系数。根据实际监测资料来看，水垫塘段、退水洞段拱顶实测水压力分别为10.9m水柱、15.4m水柱，而设计计算时采用的外水压力分别为21.44m水柱、21.52m水柱，外水压力的取值比偏于安全，设计采用的取值对本工程是合适的。