水工隧洞復合襯砌變形研究

張敬博 車高鳳

摘要：文章以云南臨滄市某無壓輸水隧洞復合襯砌結構設計為例，利用ANSYS軟件進行建模，分別對比初始地應力及考慮襯砌與圍巖聯合承載作用下的模擬成果，研究水工輸水隧洞襯砌結構的變形特征，以期對同類型的輸水隧洞設計施工提供一定的指導意義和參考價值。

關鍵詞：水工隧洞;復合襯砌;有限元

中圖分類號：TV672⁺.1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2021）02-0159-04

水工隧洞是水利樞紐中的重要組成部分之一，其結構一般由巖石和混凝土兩種材料組成，在外荷載作用下這兩種材料一般表現出較為明顯的非線性性質。隧洞在外荷載的作用下變位一般較小，不存在大應變產生的非線性問題。在水工隧洞的設計中，大量的非線性問題是由材料的塑性等性質產生的，特別是某些復雜巖石材料，其非線性特性更加明顯。

研究水工隧洞的非線性問題，對隧洞的安全至關重要。目前國內外對水工隧洞的非線性問題研究較多：高百超以遼寧安大風口水庫的輸水隧洞為研究對象，進行大變形處置時機的研究，得出最佳大變形處治時機;李若奇等對云南柳樹箐尾礦堆積壩排水隧洞進行研究，通過數值模擬方法建立了堆載與排水隧洞之間的三維模型，分析下伏地層中排水主洞襯砌和圍巖之間的襯砌的變形特征;王元明利用ANSYS軟件建立V類圍巖輸水隧洞的有限元模型，分析隧洞分別在正常運行和檢修兩種不同工況下的應變和應力狀態;張敬博等通過對于水工隧洞中有限元模型的建立，探討單元生死在水工隧洞模型中的應用及特點;于洋等通過對錦屏水電站引水隧洞施工中的圍巖變形量進行分形，得出深部巖體隧洞開挖時，圍巖形變在時間上具備分形特征，且有較明顯的自相似結構特征;劉杰等利用FLAC3D軟件，采用理想彈塑性模型，得出不同開挖洞型的引水隧洞數值模擬分析。

基于前人的研究經驗，本文以云南省臨滄市某無壓輸水隧洞復合襯砌結構設計為例，利用有限元軟件ANSYS，分別對比初始地應力及考慮襯砌與圍巖聯合承載作用下的模擬成果，對復合襯砌結構進行非線性有限元分析，通過分析研究結構設計成果并從中得到一些有用結論，以期對同類型的輸水隧洞設計施工提供一定的指導意義和參考價值。

1ANSYS軟件中單元生死技術

在數值模擬過程中，如果模型中添加或刪除材料，模型中相應的單元就存在或消失，把這種單元的存在與消失的情形定義為單元生死。單元生死功能主要用于開挖分析、順序組裝、建筑物施工以及許多其他方面的應用。要實現單元生死效果，ANSYS軟件是用一個很小的因子ESTIF乘以其剛度矩陣，因子ESTIF的默認值一般為10E-6，也可以賦予其他數值。死單元的單元荷載將為0，從而不對荷載向量生效（但任然在單元荷載列表中出現）。同樣，死單元的阻尼、質量、比熱和其他類似參數也設置為0。一旦單元被殺死，單元應變也就設為0。

2工程簡況

本項目中輸水隧洞有限元計算的主要參數如下：隧洞為圓拱直墻型無壓隧洞，洞跨3.6m，洞高3.2，拱高1.8m，埋深在20～100m之間，隧洞圍巖等級為Ⅳ級;初期支護采用0.2m厚C20混凝土錨噴支護，錨桿為qb25，長2m;隧洞二次襯砌為C20鋼筋混凝土，厚度為0.3m，沿隧洞斷面布設;圍巖及混凝土材料采用Druck-Prager模型;Ⅳ類圍巖隧洞襯砌結構如圖1所示。相關物理力學指標見表1所示。

3有限元模型建立

3.1計算假設和簡化

本次計算，根據實際情況，對模型進行以下假設和簡化處理：

1）假設圍巖是各向同性的理想彈塑性材料。

2）隧洞及圍巖的受力和變形是平面應變問題。

3）巖體初始應力場不考慮構造應力，僅考慮其自重應力。

4）將初期錨噴支護范圍等效為一個錨噴支護圍巖加固圈。

5）不考慮圍巖與錨桿、圍巖與襯砌、襯砌與錨桿的接觸問題。

6）不考慮地震荷載、溫度荷載和施工期荷載的影響。

3.2模型建立過程

1）在ANSYS前處理模塊中設置材料屬性和單元屬性。分別采用PLANE42單元、BEAM3單元模擬圍巖和襯砌;在材料屬性中輸入圍巖、鋼筋混凝土、錨噴支護加固圈的彈性模量、泊松比、密度等;為了顯示材料的非線性，還要輸入圍巖和混凝土的粘聚力、內摩擦角及膨脹角。

2）在前處理模塊中建立模型。在模型的左右邊界節點施加x方向約束，在下邊界施加Y方向約束;在整個模型范圍施加重力荷載。

3）在加載求解模塊中設定求解條件，打開大位移開關等，并設定荷載步分步進行計算。首先計算只考慮自重的初始地應力，然后計算開挖支護后模型變形及內力。

4）在后處理模塊中分別查看step-1和step-2的計算結果。

3.3有限元模型

本次計算模型為圓拱直墻城門洞型無壓水工隧洞，洞高3.2m，洞跨3.6m，拱高1.8m;以頂拱圓心為原點建立有限元模型;計算范圍取隧洞四周5倍洞跨，40mX40m;初期支護為0.2m厚C20混凝土錨噴支護，錨桿為φ25;二次襯砌采用0.3m厚C20鋼筋混凝土襯砌。具體情況如圖2、3所示。

4計算成果及分析

分別對比初始地應力及隧洞開挖襯砌模擬成果，在模擬中，對圍巖的初始地應力進行簡化處理，巖體初始應力場僅考慮自重應力，而不考慮圍巖構造應力。其中，圖4、圖6分別為圍巖在僅考慮初始地應力時的x、Y方向位移云圖，圖8為總位移分布云圖，圖5、圖7、圖9為隧洞開挖襯砌后x、Y方向位移分布及總位移云圖。

通過上圖可以看出：在初始地應力作用下，圍巖x方向初始最大位移在O.013mm左右，Y方向初始最大位移在4mm左右，總的位移值為4mm;開挖襯砌后x方向的最大位移值為0.0442mm，Y方向的最大位移值為4.02mm，總的位移值為4.02mm。

對比初始地應力作用下和開挖支護后地層變形圖，可以看出：x方向在僅考慮初始地應力及考慮襯砌與圍巖聯合承載作用下的模擬成果應變值整體較小，開挖前和開挖支護后最大位移量相差0.0312mm，相差值不大，說明開挖襯砌對x方向的變形影響較小。由圖6～9可知，Y方向的最大位移值及總位移最大值均出現在拱圈附近。Y方向在僅考慮初始地應力及考慮襯砌與圍巖聯合承載作用下的模擬成果應變值整體較x方向大些，開挖襯砌對Y方向的變形影響較x方向大些，開挖前后最大豎向位移都在拱圈附近。

5結語

圓拱直墻隧洞變形以豎向變形為主，最大豎向位移主要集中在拱圈，因為拱圈是襯砌中主要承擔垂直圍巖壓力的部分。為了預防拱圈部分出現較大變形，在施工過程中應進行加厚，從而限制襯砌出現過大豎向變形。直墻以水平方向的圍巖壓力為主，而豎向位移遠遠小于拱圈，因此，決定結構變形的主要因素為垂直圍巖壓力。圓拱直墻隧洞開挖支護后塑形應變最大的區域在拱頂附近，其他區域的塑形應變較好，說明把隧洞洞腰做成直墻形式有利于保持圍巖穩定性。