電站引水隧洞圍巖襯砌應(yīng)力分析

梁艷秋

(黑龍江省水電局，哈爾濱150040)

0 前 言

引水隧洞支護(hù)計(jì)算需要考慮圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用，所選用的材料一般都是非線性的二維與三維問題。

一般有限元軟件處理大變形問題時(shí)，計(jì)算量非常大，效率低且對計(jì)算機(jī)配置要求高，分析結(jié)果不收斂。有限元差分法是基于三維顯式有限差分法的三維快速拉格朗日數(shù)值分析法，來計(jì)算場的控制微分方程，對塑性流動(dòng)、大變形問題、屈服問題等有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，模擬巖土這種特殊材料的力學(xué)問題，可以得到理想的結(jié)果。

1 工程模擬

該水電站位于牡丹江市東寧縣綏芬河干流上，引水隧洞位于河右岸低山丘陵地帶，其軸線走向?yàn)?3°，長約3 630 m，平面按直線布置，斷面為圓形，縱坡i=0.0065。地形起伏較大，相對高差約240m，地面坡度約30°～60°。山體主要由燕山期花崗巖、侏羅系凝灰?guī)r組成。

數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果的可信度及與工程實(shí)際的符合程度很大一部分取決于數(shù)值模型是否對工程進(jìn)行正確的抽象描述。本模型數(shù)值分析分為運(yùn)營期、檢修期和施工期3 種條件下工況，將整個(gè)材料視為均質(zhì)的巖體。根據(jù)隧道的工程概況和相關(guān)材料建立的基本數(shù)值模型，模型隧洞為圓形，開挖半徑為4.1m，水平向跨度為50m，沿開挖向長度為1 個(gè)單位長度，拱頂覆土為26m，下邊界距隧道底部為26m。模型的上部為自由邊界，底部進(jìn)行豎向約束，另外四個(gè)側(cè)面為法向約束邊界。

圍巖采用三維實(shí)體單元，襯砌采用shell 單元，計(jì)算中圍巖視為均一材料，襯砌視為彈性體。取淺埋隧道形式，計(jì)算時(shí)對于結(jié)構(gòu)應(yīng)力不進(jìn)行考慮，僅考慮巖體自重應(yīng)力與水壓力影響。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料，圍巖的參數(shù)為V 級(jí)圍巖［1］。

3 種工況均采用Mohr—Coulomb 模型進(jìn)行計(jì)算，所涉及的巖土體物理力學(xué)參數(shù)具體如表1。

表1 引水隧道計(jì)算力學(xué)參數(shù)

2 對隧洞進(jìn)行FLAC 分析

對于隧洞不同時(shí)期進(jìn)行了3 種工況的模擬，考慮結(jié)果的可比性，3 種工況計(jì)算流程完全相同，通過計(jì)算，對結(jié)果進(jìn)行分析對比，掌握隧洞各個(gè)時(shí)期受力和位移特點(diǎn)，見表2。

表2 引水隧洞計(jì)算的3 種工況

隧道開挖完成后，圍巖向開挖形成的臨空面方向產(chǎn)生變形，總體上表現(xiàn)為拱頂附近的下沉和仰拱部位的上抬，拱腰部位產(chǎn)生大致水平向收斂位移，為了清晰對比各個(gè)時(shí)期不同條件下隧洞的位移應(yīng)力情況，3 種工況模型采用相同開挖步驟和相同支護(hù)形式。由于篇幅所限，僅附M1 工況下云圖，M2 與M3省略，見圖1 所示。

表3 3 種工況荷載下排水圍巖位移應(yīng)力結(jié)果

豎向位移最大工況為施工工況，其次為檢修工況，最小的為運(yùn)營工況，運(yùn)營期間隧洞內(nèi)內(nèi)水壓力對外部的圍巖豎向壓力有1 個(gè)支撐作用。水平收斂位移的基本分布規(guī)律大體相同，最大值都處于拱腰位置。洞內(nèi)水力壓強(qiáng)對水平位移影響要弱于施工期注漿壓強(qiáng)影響，但注漿壓強(qiáng)是暫時(shí)的，在完成凝結(jié)和對圍巖擠密作用后會(huì)對整個(gè)體系起到加固作用，而內(nèi)水壓強(qiáng)是持久性的。

3 種工況條件下圍巖的應(yīng)力分布基本一致，不同工況條件對圍巖應(yīng)力的影響要小于對位移的影響，應(yīng)力重分布區(qū)域集中于隧洞周圍，對于該工程背景下的隧洞來說應(yīng)力重分布區(qū)域集中在隧洞周圍4m范圍內(nèi)。可以看出，施工工況條件下隧洞應(yīng)以重分布影響范圍要大于運(yùn)營工況和檢修工況條件。3 種工況的豎向應(yīng)力重分布后隧洞周圍應(yīng)力處于0.2 ～0.4 MPa是與分層應(yīng)力差別較大應(yīng)力范圍，從圖1 來看洞周應(yīng)力值和范圍越小，分層越不明顯，應(yīng)力重分布范圍和程度越大。拱底位置比其他同水平地層有所降低這是由于拱底的隆起趨勢造成。隧洞周圍施工工況條件下水平應(yīng)力(X 向)、最大主應(yīng)力(Smax)、最小主應(yīng)力(Smin)低于同水平層底層應(yīng)力一個(gè)分層，進(jìn)一步說明該工況應(yīng)力重分布范圍和程度大于其他兩種工況。

支護(hù)設(shè)施是隧道開挖后對圍巖的支撐結(jié)構(gòu)和加固措施，是不能達(dá)到自穩(wěn)的巖體在開挖后，圍巖系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的根本原因，所以支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀況是評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

圖1 M1 工況下圍巖分析

表4 3 種工況隧道襯砌內(nèi)力變形結(jié)果

由圖2 可知，3 種工況條件下襯砌彎矩在整體上分布一致，單位長度上最大負(fù)彎矩都位于拱腰位置，最大正彎矩都位于拱頂部位，只是在內(nèi)力值上有一定差別。施工工況單位長度上最大負(fù)彎矩處于拱腰位置，為－70.8 kN·m，最大正彎矩位于拱頂位置，為51.0 kN·m。運(yùn)營工況單位長度上最大負(fù)彎矩處于拱腰位置，為－95.8 kN·m，最大正彎矩位于拱頂位置，為49.4 kN·m。檢修工況條件下單位長度上最大負(fù)彎矩處于拱腰位置，為－98.7 kN·m，最大正彎矩位于拱頂位置，為50.2 kN·m;施工工況單位長度上最大軸力位于拱腰位置，為－645 kN，最小軸力位于拱頂位置，為587 kN。運(yùn)營工況單位長度上最大軸力位于拱腰位置，為79.6 kN，最小軸力位于拱頂位置，為23.1 kN。檢修工況條件下單位長度上最大軸力位于拱腰位置，為270 kN，最小軸力位于拱頂位置，為212 kN。3 種工況第1 主應(yīng)力分布趨勢整體相似，最大值一樣處于拱腰位置，最小值位于拱頂部位，但3 種工況在應(yīng)力值上有所差別。施工工況第1應(yīng)力最大值為10.1 MPa，最小軸力位于拱頂位置，為7.7 MPa。運(yùn)營工況單位長度上最大軸力位于拱腰位置，為2.3 MPa，最小軸力位于拱頂位置，為0.07 MPa。檢修工況條件下單位長度上最大軸力位于拱腰位置，為5.1 MPa，最小軸力位于拱頂位置，為2.5 MPa。

圖2 M1 工況襯砌分析

軸力最大的工況為施工工況，但對應(yīng)的彎矩卻處于最小值，這是由于法向施加于襯砌外表面的灌漿壓強(qiáng)會(huì)使襯砌軸向的內(nèi)力增加，但是會(huì)減少彎矩值，由于是法向施加于襯砌，雖然看上去軸力增加了，但是改善了襯砌內(nèi)力分布，使襯砌內(nèi)力分布更均勻，減少出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，這通過工況彎矩及第1 主應(yīng)力比檢修條件下要小并分布均勻，是由于施加了環(huán)法向內(nèi)部水壓力作用［2］。

3 結(jié) 論

1)通過對比分析施工工況、運(yùn)營工況和檢修工況3 種條件下引水隧洞圍巖的豎向以及水平向位移變化、圍巖應(yīng)力狀況得出，施工條件下圍巖的豎向位移和水平收斂值都是3 種工況中最大的，屬于最不利荷載組合;灌漿壓力和隧洞內(nèi)水壓力對圍巖水平收斂的影響要大于對豎直方向位移影響，注漿壓力的施加使圍巖應(yīng)力的最大值增大，但使圍巖位移分布更均勻。

2)通過對比分析施工工況、運(yùn)營工況和檢修工況3 種條件下引水隧洞襯砌的豎向以及水平向位移變化、內(nèi)力狀況得出，施工條件下襯砌的豎向位移和水平收斂值都是3 種工況中最大的，屬于最不利荷載組合;灌漿壓力和隧洞內(nèi)水壓力對圍巖水平收斂的影響要＞對豎直方向位移影響，注漿壓力的施加使襯砌軸力增加，但減小了彎矩，使襯砌內(nèi)力更均勻。

綜上，施工工況為最不利工況，應(yīng)作為設(shè)計(jì)時(shí)荷載組合工況，并且該模型支護(hù)參數(shù)滿足施工要求，并未出現(xiàn)大變形情況，與傳統(tǒng)計(jì)算方法得到的結(jié)論相符。

［1］李浩，朱向陽，徐永福，等.斷面形狀對隧洞圍巖位移和應(yīng)力的影響分析［J］.隧洞建設(shè)，2009(01):43－49.

［2］孫謀，劉維寧.隧洞涌水對圍巖特性影響分析［J］.2008(02):21－25.