水工隧洞砌襯厚度不足的承力影響有限元分析

鐘樂(lè)毅，楊選富

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，南昌 330025)

隧洞砌襯筑澆因混凝土的重力降沉聚縮特性，時(shí)常于拱肩或拱頂部位發(fā)生程度不同的脫空瑕疵，是該類工程技術(shù)設(shè)計(jì)和安全標(biāo)準(zhǔn)施建必須充分重視的重點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題。本文參考工程案例實(shí)用數(shù)據(jù)，借助MIDASGTS有限元模擬計(jì)算分析系統(tǒng)，基于流固耦合理論，對(duì)水工隧洞砌襯厚度不足的承力影響進(jìn)行有限元分析，探討砌襯厚度不足瑕疵在寬度橫向和高程縱向上對(duì)砌襯承力狀態(tài)的影響規(guī)律，以期為同類工程應(yīng)用提供參考與借鑒。

1 隧洞砌襯厚度不足數(shù)值模型的建立

參照隧洞砌襯厚度不足的某工程案例，其圍巖體為Ⅲ類，洞徑為6 m，埋深在80 m。參考該工程實(shí)用數(shù)據(jù)，以MIDASGTS系統(tǒng)，基于流固耦合理論，對(duì)砌襯厚度不足的承力影響開(kāi)展建模分析。其三維數(shù)值模型、瑕疵砌襯網(wǎng)略模型以及5個(gè)重點(diǎn)瑕疵分析部位具體見(jiàn)圖1。

圖1 網(wǎng)略模型以及5個(gè)重點(diǎn)瑕疵分析部位

模型長(zhǎng)寬高規(guī)格50 m×50 m×50 m，砌襯網(wǎng)絡(luò)同樣剖分6層，隧洞周邊網(wǎng)絡(luò)實(shí)施網(wǎng)絡(luò)細(xì)分，砌襯網(wǎng)絡(luò)劃分以拱頂瑕疵位置1 m寬度值、h/2砌襯高程為例。厚度瑕疵指巖側(cè)砌襯高程瑕疵，其中h為砌襯設(shè)計(jì)厚度，其他瑕疵工況類推。砌襯厚度瑕疵僅取縱向厚度不足1 m長(zhǎng)度值，瑕疵部位處于模型中部。本文提取存在著厚度不足部位截面的拱腳、左拱底、左拱腰、左拱肩和拱頂5個(gè)部位實(shí)施分析。

2 砌襯厚度不足計(jì)算工況擬定

重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面水工隧洞砌襯厚度不足瑕疵：①?gòu)暮穸炔蛔汨Υ貌课豢紤]，即假定指定部位厚度不足瑕疵程度一定(瑕疵位置寬度值1 m、高程h/2)，厚度不足部位分別位處拱頂、左拱肩、拱頂和左拱肩、拱頂和左右拱肩；②假定砌襯厚度不足瑕疵僅位處拱頂?；趦深惽闆r考慮，即瑕疵位置高程h/2、寬度按無(wú)瑕疵、0.5 m，1 m，2 m演變；拱頂瑕疵位置寬度1 m、高程按無(wú)瑕疵、2h/3，h/2，h/3演變。這兩個(gè)方向?qū)嵤┛紤]；砌襯厚度不足瑕疵的部位和大小固定，假定厚度不足瑕疵僅位處拱頂并且瑕疵位置砌襯高程為h/2/、寬度值1m，內(nèi)水分別是0,0.8,1.2,1.6和2 MPa。具體數(shù)值模擬方案見(jiàn)表1和表2。

3 隧洞砌襯厚度不足的有限元計(jì)算分析

3.1 砌襯瑕疵寬度演變對(duì)砌襯承力影響分析

3.1.1 砌襯后水壓分布

見(jiàn)圖2。

表1 寬度瑕疵演變模擬工況

注：h為砌襯設(shè)計(jì)厚度值50 cm。

表2 高程瑕疵演變模擬工況

注：h為砌襯設(shè)計(jì)厚度值50 cm。

圖2 基于寬度瑕疵演變的砌襯后水壓分布

圖2數(shù)據(jù)揭示砌襯厚度不足寬度對(duì)砌襯后水壓分布的影響呈現(xiàn)為：①無(wú)內(nèi)水時(shí)，相較工況一，厚度不足將大幅降低其附近砌襯后水壓，而遠(yuǎn)離瑕疵部位的砌襯后水壓較小，并且隨厚度不足寬度加大，砌襯后水壓下降越顯著，工況四拱頂位置砌襯后水壓僅29.14 kPa，為該區(qū)域工況一水壓的7.3%左右。②隧洞充水后，每種工況下砌襯后水壓均加大，工況一下砌襯后水壓接近靜水壓力，而其他工況相較靜水壓力較小，厚度不足不同寬度對(duì)砌襯后水壓影響與充水前相同，砌襯后水壓下降程度與厚度不足寬度有關(guān)，隨厚度不足寬度加大，其下降程度越明顯，工況四拱頂砌襯后水壓361.49 kPa，是該位置工況一時(shí)的55.7%左右。

3.1.2 圍巖體滲流場(chǎng)

見(jiàn)圖3。

圖3 基于厚度瑕疵演變的圍巖體滲流場(chǎng)

由圖3可以看到，砌襯厚度不足寬度演變對(duì)圍巖體滲流場(chǎng)的影響呈現(xiàn)為：①隧洞周邊圍巖體孔隙水壓力相較靜水壓力有所下降，并且隧洞周邊構(gòu)成相近似漏斗形狀的圍巖體滲流走勢(shì)線。②砌襯厚度不足寬度大小對(duì)圍巖體滲流場(chǎng)總體走勢(shì)有較小影響，但隨厚度不足寬度加大，厚度不足瑕疵附近孔隙水壓下降愈發(fā)明顯。③隧洞充水后，隧洞周邊圍巖體滲流等值線提升明顯，其漏斗狀滲流走勢(shì)開(kāi)口加寬，只是厚度不足的瑕疵寬度對(duì)其影響相對(duì)有限。

3.1.3 砌襯應(yīng)力受瑕疵寬度演變的影響規(guī)律

見(jiàn)圖4-圖8。

圖4 每種工況下拱頂砌襯應(yīng)力

由圖4可知，厚度不足寬度對(duì)拱頂砌襯承力特點(diǎn)的影響呈現(xiàn)為：①隧洞充水前，工況一砌襯靠圍巖體側(cè)承壓，靠洞內(nèi)側(cè)承拉；工況二下，該區(qū)域由局部承拉變成全斷面承拉；工況三和工況四下，該區(qū)域?yàn)槿珨嗝娉袎?，只是?yīng)力值相對(duì)較小，說(shuō)明砌襯厚度瑕疵對(duì)該區(qū)域砌襯承力有較大影響，改變整個(gè)斷面的承力狀態(tài)；另外該區(qū)域應(yīng)力隨瑕疵寬度改變而演變，工況二為拉應(yīng)力34.1 kPa，工況四下該區(qū)域外側(cè)應(yīng)力為-10.3 kPa。②隧洞充水后，該區(qū)域砌襯承力演變規(guī)律隨厚度不足寬度的改變而演變，工況二、工況三砌襯為全斷面承壓；而工況四下，該區(qū)域承力變成內(nèi)側(cè)承壓、外側(cè)承拉，空洞的存在著使該區(qū)域承力由內(nèi)拉外壓向內(nèi)壓外拉態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)化，說(shuō)明砌襯后瑕疵寬度對(duì)該區(qū)域承力有較大影響，改變整個(gè)斷面承力狀態(tài)。

圖5 每種工況下左拱肩砌襯應(yīng)力

由圖5可知，厚度不足寬度對(duì)左拱肩砌襯承力特點(diǎn)的影響呈現(xiàn)為：①隧洞充水前，工況一砌襯靠圍巖體側(cè)承壓，靠洞內(nèi)側(cè)承拉，當(dāng)存在著砌襯厚度不足時(shí)幾乎全斷面承壓，說(shuō)明砌襯厚度不足對(duì)該區(qū)域砌襯承力有較大影響，改變斷面的承力狀態(tài)，由局部承壓變成全斷面承壓。②相較充水前，隧洞充水后，砌襯應(yīng)力有較大程度增強(qiáng)，該區(qū)域應(yīng)力受厚度不足寬度影響的演變規(guī)律與充水前相近似，由外側(cè)承壓、內(nèi)側(cè)承拉變成全斷面承壓，并且也隨著厚度不足寬度改變而演變，只是應(yīng)力值更大，從安全角度來(lái)看更不利于砌襯安全。

由圖6可知，厚度不足寬度對(duì)左拱腰砌襯承力特點(diǎn)的影響呈現(xiàn)為：①隧洞充水前，工況一砌襯外側(cè)(靠圍巖體側(cè))承壓，內(nèi)側(cè)(靠洞內(nèi)側(cè))承拉，其他工況承力基本與之相同，不過(guò)內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力有所降低。②隧洞充水后，相較充水前，除工況三外，砌襯應(yīng)力有程度不同增強(qiáng)。另外該區(qū)域應(yīng)力受厚度不足寬度影響的演變規(guī)律與充水前相近似，均呈現(xiàn)為外側(cè)承壓、內(nèi)側(cè)承拉，并且也隨著厚度不足寬度的改變而演變；工況三下，由外側(cè)承壓、內(nèi)側(cè)承拉變成全斷面承壓。

圖6 每種工況下左拱腰砌襯應(yīng)力

圖7 每種工況下左拱腳砌襯應(yīng)力

圖8 每種工況下拱底砌襯應(yīng)力

圖7和圖8可知，在隧洞充水前后，每種工況下左拱底和拱腳等處砌襯應(yīng)力分布基本不變，呈現(xiàn)為外側(cè)承壓、內(nèi)側(cè)承拉，并且數(shù)值演變亦不大，說(shuō)明無(wú)論隧洞是否充水，砌襯厚度不足寬度對(duì)這兩部位的應(yīng)力影響均較小。

綜上所述，隧洞充水前后，砌襯厚度不足存在著均使該區(qū)域由內(nèi)拉外壓向內(nèi)壓外拉態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)化，說(shuō)明砌襯后厚度不足寬度大小對(duì)該區(qū)域承力有較大影響，改變整個(gè)斷面承力狀態(tài)。砌襯厚度不足寬度大小對(duì)該區(qū)域砌襯承力有較大影響，寬度越大其影響就越大，其他部位則有較小影響。

3.2 砌襯瑕疵高程演變對(duì)砌襯承力影響分析

3.2.1 砌襯后水壓分布

見(jiàn)圖9。

圖9 襯砌厚度瑕疵高程演變的砌襯后水壓分布

由圖9可看到，砌襯厚度不足高程演變對(duì)砌襯后水壓分布的影響呈現(xiàn)為：①無(wú)內(nèi)水時(shí)，相較工況一，砌襯厚度不足將大幅降低其附近砌襯后水壓，遠(yuǎn)離瑕疵部位的砌襯后水壓較小，并且隨厚度減薄，砌襯后水壓下降越顯著，工況四拱頂砌襯后水壓35.55 kPa，是該區(qū)域工況一水壓的8.9%。②隧洞充水后，每種工況下砌襯后水壓均加大，工況一下砌襯后水壓接近靜水壓力，而其他工況相較靜水壓力較小，厚度不足不同高度對(duì)砌襯后水壓影響規(guī)律同充水前，砌襯后水壓下降程度與砌襯厚度減薄程度有關(guān)，隨砌襯厚度減薄，其下降程度愈發(fā)明顯，工況四下拱頂砌襯后水壓380.12 kPa，為工況一時(shí)的58.5%。

3.2.2 圍巖體滲流場(chǎng)

見(jiàn)圖10。

圖10 厚度瑕疵高程演變的圍巖體滲流場(chǎng)

由圖10可以看到，砌襯厚度不足高程演變對(duì)圍巖體滲流場(chǎng)的影響呈現(xiàn)為：①隧洞周邊圍巖體孔隙水壓力相較靜水壓力有所下降，并且隧洞周邊構(gòu)成相近似漏斗形狀的圍巖體滲流走勢(shì)線。②砌襯厚度不足高程演變對(duì)圍巖體滲流場(chǎng)總體走勢(shì)有較小影響，但隨砌襯厚度減薄，厚度不足瑕疵附近孔隙水壓下降愈發(fā)明顯。③隧洞充水后，隧洞周邊圍巖體滲流等值線上抬，孔壓等值線加密，并且厚度不足高程大小對(duì)其有不明顯影響。

3.2.3 砌襯應(yīng)力受厚度瑕疵高程演變影響規(guī)律

見(jiàn)圖11-圖15。

圖11 每種工況下拱頂砌襯應(yīng)力

圖12 每種工況下左拱肩砌襯應(yīng)力

由圖11可知，厚度不足高程演變對(duì)拱頂砌襯承力特點(diǎn)的影響呈現(xiàn)為：①隧洞充水前，工況一砌襯外側(cè)(靠圍巖體側(cè))承壓、內(nèi)側(cè)(靠洞內(nèi)側(cè))承拉，其他工況下砌襯為全斷面承壓，并且應(yīng)力值較小，意味砌襯厚度減薄對(duì)該區(qū)域砌襯承力有較大影響，改變整個(gè)斷面的承力狀態(tài)，由外側(cè)承壓內(nèi)側(cè)承拉變成全斷面承壓。②隧洞充水后，該區(qū)域砌襯應(yīng)力受厚度不足影響的演變規(guī)律同充水前相近似，由外側(cè)承壓、內(nèi)側(cè)承拉變成全斷面承壓，并且也隨厚度減薄而演變，只是應(yīng)力值稍有加大。

由圖12可知，厚度不足高程演變對(duì)左拱肩砌襯承力特點(diǎn)的影響呈現(xiàn)為：①隧洞充水前，工況一砌襯靠圍巖體側(cè)承壓，內(nèi)側(cè)(靠洞內(nèi)側(cè))承拉，其他工況下砌襯為全斷面承壓，砌襯外側(cè)應(yīng)力深度一般較大，意味砌襯厚度減薄對(duì)該區(qū)域砌襯承力有較大影響，改變了斷面的承力狀態(tài)。②隧洞充水后，該區(qū)域砌襯應(yīng)力受厚度不足影響的演變規(guī)律同充水前相近似，由外側(cè)承壓、內(nèi)側(cè)承拉變成全斷面承壓。

圖13 每種工況下左拱腰砌襯應(yīng)力

圖14 每種工況下左拱腳砌襯應(yīng)力

圖15 每種工況下拱底砌襯應(yīng)力

圖13和圖15可知，在隧洞充水前后，每種工況下左拱腰、左拱底和拱腳等處砌襯應(yīng)力分布基本不變，呈現(xiàn)為外側(cè)承壓、內(nèi)側(cè)承拉，并且數(shù)值演變亦不大，意味砌襯厚度的減薄對(duì)這三部位的應(yīng)力影響均較小。

綜上所述，隧洞充水前后，砌襯厚度不足存在著均使該區(qū)域有內(nèi)拉外壓，向內(nèi)壓外拉態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)化，意味砌襯后厚度不足程度對(duì)該區(qū)域承力有較大影響，改變整個(gè)斷面承力狀態(tài)。砌襯厚度不足高程大小對(duì)該區(qū)域砌襯承力有較大影響，程度越深其影響就越大，其他部位則有較小影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于流固耦合理論，建立砌襯厚度不足的水工隧洞三維數(shù)值模型，選擇砌襯后水壓分布、圍巖體滲流場(chǎng)和砌襯應(yīng)力3個(gè)指標(biāo)實(shí)施分析：①砌襯拱頂位厚度不足寬度演變對(duì)砌襯承力特點(diǎn)影響呈現(xiàn)為：隧洞充水前后，砌襯厚度不足存在著均使該區(qū)域由內(nèi)拉外壓、向內(nèi)壓外拉態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)化，意味砌襯后厚度不足寬度大小對(duì)該區(qū)域承力有較大影響，改變整個(gè)斷面承力狀態(tài)。砌襯厚度不足寬度大小對(duì)該區(qū)域砌襯承力有較大影響，寬度越大其影響就越大，其他部位則有較小影響。②砌襯厚度不足高程演變(拱頂位例)對(duì)砌襯承力特點(diǎn)影響呈現(xiàn)為：隧洞充水前后，砌襯厚度不足存在著均使該區(qū)域有內(nèi)拉外壓、向內(nèi)壓外拉態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)化，意味砌襯后厚度不足程度對(duì)該區(qū)域承力有較大影響，改變整個(gè)斷面承力狀態(tài)。砌襯厚度不足高程大小對(duì)該區(qū)域砌襯承力有較大影響，程度越深其影響就越大，其他部位則有較小影響。