基于Abaqus的高地下水泄洪隧洞襯砌配筋計算

路 雷，肖 蕾，胡亞運

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081）

1 工程概況

貴州省望謨縣油啥水庫工程位于貴州省黔西南布衣苗族自治州望謨縣,為Ⅲ等中型工程,樞紐工程由混凝土面板堆石壩、右岸洞式溢洪道、右岸泄洪洞、左岸引水系統及地面廠房等主要建筑物組成。

工程泄洪系統由洞式溢洪道和泄洪洞組成,平行布置于右岸。溢洪道為洞式溢洪道,由開敞式引渠、控制段、洞式泄槽段及開敞式挑流消能工等建筑物組成,其中洞式泄槽段底坡i=8%,開挖斷面為城門洞型,凈斷面尺寸為9.5 m×12 m（寬×高）；泄洪洞由進口段、閘門井段、洞身段、明渠段、消能段組成,隧洞底坡i=6.7%,開挖斷面為城門洞型,凈斷面尺寸為8 m×12 m（寬×高）。隧洞圍巖為青灰、灰色薄～中厚層鈣質泥巖夾鈣質砂巖,局部夾鈣質頁巖,隧洞開挖段鈣質泥巖所占比例40%左右,地下水位較高。

2 研究思路及計算步驟

2.1 研究思路

根據《水工隧洞設計規范》（SL 279-2016）規定,隧洞襯砌結構計算可根據襯砌的結構型式、荷載特點、圍巖條件和施工方法及程序等選擇合適的計算方法。其中高壓隧洞或重要的水工隧洞,宜采用有限元法計算。本工程泄洪洞底板以上外水設計水頭高達92.25 m,采用常規邊值法進行內力和配筋計算,其結果偏大,因此,采用有限元法對其進行計算研究。

本文采用Abaqvs軟件進行有限元數值模擬,分別計算出各工況襯砌結構的應力狀態,然后選擇拉應力最大位置進行應力積分,按應力圖形面積配筋。

2.1.1 結構模型

計算模型采用地層-結構模型,充分發揮和利用圍巖的自承能力,施工過程中及時噴錨及襯砌支護,將支護結構與圍巖形成整體共同受力的統一體系,并考慮襯砌與圍巖采用共結點接觸的方式近似模擬。

2.1.2 隧洞開挖

隧洞開挖施工過程通常較為復雜,如分步驟開挖、支護結構的施工等,常規的分析方法處理起來十分困難,往往需要通過有限元對支護結構的內力和變形、圍巖體的位移等進行分析。采用Abaqvs的生死單位即可實現隧洞的開挖。

2.1.3 襯砌支護

若沒有襯砌的施工,問題將很簡單,只需建立初始地應力后,移除需開挖的單元即可。但實際施工過程中,隧洞的開挖施工工序十分繁雜,涉及鉆孔、爆破、掛網噴混、錨桿支護、灌漿和襯砌施工等。而在有限元法計算中,襯砌結構支護施工模擬尤為重要,特別是襯砌單元激活的時機,如果在開挖區單元移除前激活不符合真實工程的施工工序,實際襯砌施工時巖體應力已有部分釋放；而如果在單元移除后激活,則應力早已完全釋放,襯砌起不到任何支撐作用。為了解決襯砌支護時機問題,提出在襯砌施工前,將開挖區單元的變形模量逐漸降低40%,來模擬圍巖應力部分釋放的實際情況。

2.1.4 非桿件結構配筋計算

泄洪洞斷面為城門洞型,無法直接按桿件結構采用結構力學方法求得截面內力,根據《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）,無法按結構力學方法求得截面內力的鋼筋混凝土結構,可由求得截面的應力圖形面積確定配筋數量。

當應力圖形偏離線性分布較大時,可按主拉應力在配筋方向投影圖形的總面積計算鋼筋截面積 As,并按下式計算：

式中：K為承載能力安全系數；fy為鋼筋抗拉強度設計值,N/mm2；T為由鋼筋承擔的拉力設計值,T=ωb,N；ω為截面主拉應力在配筋方向投影圖形的總面積,mm2；b為結構截面寬度,mm。

2.2 計算步驟

本次計算主要分為三個步驟：第一步為地應力平衡,巖體主要受自身重力作用下的初始地應力；第二步為隧洞開挖和襯砌支護；第三步計算各工況下襯砌的應力狀態；第四步根據計算所得內力,對襯砌結構進行配筋計算。

3 計算模型及計算參數

3.1 計算模型

洞室穩定主要受到圍巖壓力、襯砌自重、外水壓力及施工期灌漿壓力等作用影響。考慮到泄洪洞不同部位受到的圍巖壓力及外水壓力變化較大,選擇泄洪洞對應地下水位線最高的剖面作為最危險位置來計算,見圖1。

圖1 青山水庫輸水工程系統布置示意圖

有限元網格模型見圖2,巖體和襯砌采用CPE4和CPE3平面應變單元,共有單元40242個,結點32895個。對模型兩側邊界約束節點的水平位移,模型底部邊界約束節點的豎直位移。

圖2 泄洪隧洞剖面網格模型

3.2 計算參數

計算巖體材料采用Mohr-Covlomb模型,襯砌材料采用線彈性模型。隧道洞身襯砌采用C35 混凝土,軸心抗壓強度fc=16.7 N/mm2,軸心抗拉強度ft=15.7 N/mm2,混凝土彈性模Ec=3.15×104N/mm2。鋼筋采用HRB400級鋼筋,抗拉強度設計值fy=360 N/mm2,抗壓強度設計值fy'=360 N/mm2。根據地質報告,巖體物理力學參數建議值見表1。

表1 巖體物理力學參數建議值

續表1

4 計算成果分析

4.1 天然地應力場

開挖前巖體地應力平衡結果見圖3,豎向應力基本與埋深相關,且應力過渡平順。

圖3 開挖前巖體豎向應力分布（單位：Pa）

4.2 開挖后計算結果

隧洞開挖后,最大拉應力為0.38MPa,位于泄洪洞底部,隧洞的主要變形方向是洞底向上的回彈變形及洞頂的向下塌陷變形,主要原因為圍巖開挖卸荷造成向臨空面變形,符合一般規律,而且最大變形較小,最大拉應力未超過圍巖允許承載力,因此隧洞開挖后較穩定,具體見圖4。

圖4 隧洞開挖后最大主應力分布（單位：Pa）

（3）襯砌計算結果

①運行工況

圖5 檢修工況下隧洞襯砌最大主應力分布圖（單位：Pa）

②施工工況

圖6 施工工況下隧洞襯砌最大主應力分布圖（單位：Pa）

洞式溢洪道和泄洪洞襯砌結構的內力狀態及變形趨勢基本相同,隧洞襯砌的邊墻大部分區域都處于受壓狀態,局部出現較小拉應力,頂拱全部為受壓狀態,底板出現范圍較大的拉應力區域,襯砌結構應力計算結果具體見表2。

4.3 配筋計算

根據以上計算所得各工況下襯砌的應力狀態,按主拉應力在配筋方向投影圖形的總面積計算鋼筋截面積。隧洞拉應力主要分布于襯砌結構的2個底角部及側墻,因此,配筋計算按頂拱、腰部、底板分別進行應力配筋。由鋼筋承擔的拉力設計值根據應力路徑積分求出,該配筋具體方法詳見2.1.4節。

在配筋計算過程中,運行工況為基本組合承載力安全系數K取1.2,施工工況為偶然組合承載力安全系數K取1.0,計算配筋表，見表3。

表2 襯砌應力計算結果

表3 隧洞襯砌結構配筋表

4.4 配筋結果對比

將有限元法計算結果與SDCAD邊值法進行對比,可知邊值法計算所得配筋量明顯大于有限元法,計算結果偏不經濟,但直接采用有限元計算結果配筋則偏危險,實際工程中采用有限元計算結果進行配筋的應用還不多,目前仍為采用兩種計算方法所得配筋量綜合確定。

表4 隧洞襯砌配筋比較表

5 計算結論

根據計算結果得出以下結論：

（1）開挖支護。泄洪隧洞開挖變形較小,最大變形位于隧洞底部,主要為開挖卸荷后底板向上的應力回彈,最大拉應力出現于隧洞底部,最大拉應力小于圍巖允許承載能力,不會發現變形破壞,洞室穩定性良好,但開挖后需盡快做好噴錨及襯砌支護。

（2）襯砌計算。從有限元計算結果看出,襯砌較大變形區域主要位于邊墻與底板的拐角處以及底板的中部。在襯砌的邊墻及頂部大部分區域都處于受壓狀態。洞式溢洪道和泄洪洞內力狀態和變形趨勢基本相同,都在底板出現局部較大的拉應力區域。

（3）配筋計算。通過計算,運行工況為控制工況,配筋計算采用運行工況結果進行計算。采用SDCAD軟件中邊值法計算的配筋量較有限元大很多,計算結果偏于不經濟,但考慮到有限元計算配筋結果在實際工程中應用還不多,隧洞襯砌最終配筋量,需結合兩種計算結果綜合確定。