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水工隧洞的设计理念由之前的围岩荷载观已转变为“围岩结构观点”,其中很重要的一点表现在于隧洞的衬砌开裂后内水外渗,在衬砌及附近围岩内形成了稳定渗流场,水荷载以体力方式作用在衬砌和外围的围岩上。本文结合我国西北部某二级电站引水隧洞,对透水衬砌问题进行了相关的研究,主要内容如下：
通过查阅相关文献,了解有关水工隧洞常规计算和透水衬砌的国内外研究现状,并以此探讨了常规计算的边值法、公式法及弹性力学法的计算原理、适用条件和各自的优缺点；同时,介绍了透水衬砌的等效薄壁圆筒理论及实现渗流应力耦合的数值模拟计算方法,就后者而言,实现起来比较方便,但多数仅局限于渗透系数为常数的直接耦合,未考虑渗流应力动态平衡的间接耦合,且一般都需编程计算。
结合工程地质条件和相关的水工隧洞设计规范,选取了Ⅳ类围岩洞段作为研究对象,通过确定计算参数、相关系数及荷载等,得出了各拟定工况下的衬砌内力和相应的配筋面积,选取所需最大的钢筋面积进行配筋并进行裂缝宽度验算。最终得出,Ⅳ类围岩洞段所需钢筋面积共计为3805.3 mm²,同样较之设计单位采用的提供Ⅳ类围岩配筋面积4084 mm²比较吻合,也说明本次计算的合理性。
通过 FLAC3D 有限差分软件实现基于多孔介质模型的渗流应力耦合计算,为了与常规计算有可比性,设置了衬砌不开裂和开裂两种情况,衬砌不开裂时未考虑渗流作用；衬砌开裂时内水外渗,分直接耦合和间接耦合对比计算。计算结果表明,从衬砌附近围岩的变形和受力状况来看,本文计算中的围岩和衬砌的稳定状态是可靠的,也为进一步的配筋计算提供了基本的前提；通过对比分析衬砌开裂与否的计算结果,得出考虑开裂后对应的衬砌结构中的应力状态得到了改善,同时受拉区围岩的量值和范围也有明显减小,体现了衬砌透水和以往计算的差异性。
基于应力配筋原理利用VB语言程序编制了的相应的软件进行钢筋面积计算,认为在保证了洞室及围岩的稳定前提下,考虑衬砌透水计算得到的配筋面积相对有明显的减少；而检修工况下外水回渗时进行构造配筋即可,一般应以运行工况作为主要计算工况,这为在FLAC3D中采用等效连续介质模型进行透水衬砌分析提供了稳定渗流的必要前提。进而得出了利用 FLAC3D 中多孔介质模型实现渗流应力耦合,对洞室及衬砌结构进行应力场和和稳定性分析并通过正应力配筋法计算透水衬砌的钢筋量的方法是可行的,对于丰富透水衬砌计算方法和水工隧洞透水衬砌进一步的研究有一定的意义。