引水工程圍巖TM耦合下應力位移場影響分析研究

范俊強

(運城市水利勘察院有限公司，山西 運城 044000)

水利工程中常遇到工程地質環(huán)境較復雜工況，對工程建設施工具有負面影響，例如高地應力[1]、高埋深[2]、高海拔[3]、高地溫[4]等復雜地質環(huán)境。為此，針對性解決復雜環(huán)境工況中水利工程安全穩(wěn)定性加固設計、規(guī)律分析等具有重要指導意義。姚可夫等[5]、陶磊等[6]、王俊[7]根據(jù)工程建設中應力、變形等參數(shù)變化，設計布設有微震、聲發(fā)射等監(jiān)測設備，根據(jù)微觀數(shù)據(jù)監(jiān)測過程變化規(guī)律，為工程預判失穩(wěn)及針對性加固設計等提供重要參照。另一方面，復雜地質環(huán)境中最終發(fā)生失穩(wěn)破壞的仍然與工程巖土體有關，因而一些學者根據(jù)工程現(xiàn)場采樣、制樣，開展室內力學試驗研究，分析巖土體在滲透試驗、力學破壞試驗中特征，為研討巖土力學穩(wěn)定性提供佐證[8-9]。數(shù)值計算是一種直接性、高效性研究手段，根據(jù)工程受擾動部位巖土體狀態(tài)，建立相應計算模型，施加邊界荷載，計算獲得擾動巖土體在時空中變化與分布特征，極大豐富了復雜耦合工況中工程穩(wěn)定性研究成果[9-10]。本文根據(jù)晉北水庫引水隧洞穿越高地溫環(huán)境下，圍巖擾動與布設襯砌過程中仿真模型，獲得應力、位移變化特征，探討TM耦合效應下熱作用、擾動作用對圍巖穩(wěn)定性影響。

1 工程概況

1.1 工程資料

晉北黃河支流考慮建設水庫樞紐工程，但由于地表引水渠道設施流量較低、坡度較緩等現(xiàn)象，考慮建設一深埋引水隧洞，但根據(jù)勘察得知水庫引水隧洞所在地區(qū)屬高地溫，最大溫度超過100 ℃，設計隧洞斷面直徑為2.8 m，隧洞渠首流量控制為15 m3/s。該水庫設計庫容量為1.5億m3，承擔著防洪、灌溉、蓄水等作用，所涉及的樞紐工程包括有溢洪道、防洪大壩、引水隧洞等結構，其中溢洪道圍堰頂部高程為85.8 m，壩體軸線長度為658.0 m，頂寬為3.8 m，壩體設置有高度為1.5 m的防浪墻，整體壩身滲透活躍性較穩(wěn)定，歸功于溢洪道邊墻整體穩(wěn)定性以及壩體自身防滲系統(tǒng)安全性。隧洞乃是水庫水資源調度的重要一環(huán)，為提升水庫水資源調控水平，在隧洞與水庫間設置有一中型水閘，閘室高程為75.8 m，采用弧形鋼閘門，直徑為3.2 m，建設有橫、縱連系梁作為閘墩加固結構，其中橫梁截面為半圓弧型，高度為1.2 m，縱梁尺寸為3.5 m×3.0 m，閘室基礎采用灌注樁設計，從閘墩、閘室靜力穩(wěn)定性角度考慮，安全性均較佳。引水隧洞作為穿越高地溫條件水利工程，全長252 m，埋深超過100 m，圍巖體主要為大理巖，其圍巖穩(wěn)定性乃是工程開挖施工重要因素，因而設計部門研究采用支護襯砌方式對圍巖進行加固，降低工程施工行為以及后期隧洞運營階段對圍巖應力穩(wěn)定場的影響。目前，由于引水隧洞溫度場熱效應與圍巖應力擾動效應耦合下，圍巖、襯砌結構等均出現(xiàn)不穩(wěn)定應力，局部區(qū)域甚至出現(xiàn)張拉應力，此對引水隧洞工程長期穩(wěn)定運營具有嚴重影響，故而本文依據(jù)隧洞穿越高地溫條件下的圍巖熱固(TM)耦合場特征，分析圍壓力學穩(wěn)定性影響特征，為工程設計提供指導。

1.2 工程仿真

為分析方便，本文對隧洞K1+125～K1+175斷面圍巖開展仿真分析，模擬隧洞開挖時間為120 d，圍壓所在斷面長度為50 m，埋深為150 m，圍巖應力影響范圍分布為30 m×30 m，矩形截面，此亦為模擬計算圍巖應力影響分布范圍。襯砌層厚度為0.5 m，圍巖截面溫度設定為100 ℃，襯砌溫度為20 ℃，采用ABAQUS對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，設置單元網(wǎng)格有溫度場、靜力場等，共獲得網(wǎng)格單元數(shù)12 580個，節(jié)點數(shù)86 872個[11-12]，其有限元模型如圖1所示。

圖1 隧洞圍巖有限元模型

由于不同溫度下圍巖熱效應有所差異，所選定的溫度效應參數(shù)也會有所影響，因而本文研究TM耦合下圍巖力學特征主要通過變換溫度場參數(shù)來模擬計算，按照引水隧洞所處高地溫環(huán)境，本文溫度場設定溫度分別為25 ℃、40 ℃、55 ℃、70 ℃、85 ℃、100 ℃，每個溫度場下溫度系數(shù)、圍巖物理力學參數(shù)均有所差異，按照巖石熱效應下實測參數(shù)取值。

2 圍巖TM耦合下應力位移場時間特征

2.1 應力變化特征

根據(jù)工程環(huán)境耦合狀態(tài)計算隧洞圍巖應力場隨時間變化特征，本文選取圍巖拱頂部位距離0 m(A點)、10 m(B點)、20 m(C點)、30 m(D點)、40 m(E點)、50 m(F點)的特征點應力隨時間分布特征，如圖2所示。從圖中可看出，拱頂各特征點均為張拉應力，最大拉應力為F點，達3.4 MPa；當時間遞進時，應力呈“降低-波動-穩(wěn)定”三階段特征，當與拱頂距離愈遠時，各階段應力持續(xù)或影響時間更久，B點應力降低階段持續(xù)16 d，而D、F點同一階段結束時間分別在47 d、68 d。分析各階段應力變化特征可知，在應力降低階段，距離愈遠，降幅愈小，A點該階段應力降幅為8.2%，而C、E、F點降幅分別為5.9%、5.3%、4.7%，表明圍巖應力隨時間變化特征受斷面距離影響，距離愈大，則圍巖受擾動影響愈小；筆者分析認為應力階段降低主要是初始開挖產(chǎn)生的較大拉應力集中在圍巖上，但隨施工進行，其拉應力分布面會逐步擴散，表現(xiàn)在拉應力值降低態(tài)勢[13-14]。當進入應力波動階段后，此時圍巖已開始設置襯砌，拉應力傳遞至襯砌結構上，降低了圍巖拉應力集中效應，此過程在各距離特征點中均有體現(xiàn)，且各特征點在該階段波動幅度基本相近，A、C、E點波動幅度分別為19.5%、20.1%、20.1%。當襯砌結構穩(wěn)定后，此時施工擾動圍巖引起的張拉應力由圍巖與襯砌結構共同承擔，拉應力處于逐步穩(wěn)定狀態(tài)，且隨距離愈遠，拉應力穩(wěn)定值愈大，此與襯砌效應對遠距離特征點影響較弱有關，A特征點應力穩(wěn)定在1.57 MPa，而B、D、F特征點應力較前者分別增大了4.6%、10.9%、28.1%，當與拱頂距離增大10 m，各特征點受襯砌效應產(chǎn)生的應力穩(wěn)定值平均增大5.2%。

圖2 特征點應力隨時間分布特征

2.2 位移變化特征

圖3為圍巖拱頂距離上各特征點位移隨時間變化關系。從圖中可知，各特征點位移隨時間為“緩增-陡增-穩(wěn)定”三階段變化特征，當距離愈大時，各階段持續(xù)時間更長，受圍巖擾動及襯砌效應更弱。在位移緩增階段，A～F點持續(xù)時間為3～66 d，以距離愈遠特征點位移值更大，A點緩增階段達0.73 mm，而C、E、F點位移值較前者分別增大了6.5%、7.8%、15.2%，該階段主要受初期施工擾動影響，位移值處于緩慢上升過程；當施加襯砌后，在短期內襯砌結構位移變化與圍巖位移傳遞，造成圍巖各特征點位移陡增，特征點B、D、F陡增幅度分別可達1.92倍、1.67倍、1.80倍。在此之后，襯砌結構穩(wěn)定后，產(chǎn)生較好襯砌效應，此時位移值處于較穩(wěn)定狀態(tài)，且以距離較遠的特征點位移穩(wěn)定值更大，F(xiàn)點位移穩(wěn)定值為2.7 mm，而A、C、E點較之前者分別減少了17.2%、8.0%、3.5%，距離較遠的特征點進入位移穩(wěn)定階段的時間更為滯后，此與襯砌結構在圍巖斷面距離上傳遞效果乃是減弱的過程。

圖3 特征點位移隨時間分布特征

3 圍巖TM耦合下應力位移場溫度效應

為分析穿越高地溫環(huán)境下圍巖靜力場溫度效應，設計開展不同溫度環(huán)境下的圍巖靜力場分析，評價溫度熱作用對圍巖應力、位移影響特征。

3.1 應力變化特征

根據(jù)工況耦合計算獲得圍巖不同溫度下應力變化特征，如圖4所示。從圖中可看出，圍巖主應力與溫度為負相關關系，在相同時間15 d時溫度25 ℃下最大主應力為3.24 MPa，而溫度55 ℃、85 ℃、100 ℃主應力相比前者分別減少了5.3%、9.6%、15.5%，即溫度愈高，圍巖主應力愈低。分析認為，圍巖開挖擾動形成的應力重分布在溫度較高環(huán)境下，更快達到平衡狀態(tài)，無顯著張拉應力集中效應，主應力穩(wěn)定性更佳[15-16]。分析各溫度環(huán)境下應力隨時間變化可知，主應力均呈先減后增，最終穩(wěn)定變化，且各溫度工況下應力最低點均對應時間5 d，表明溫度改變，襯砌結構對主應力影響并不減弱；各溫度工況在穩(wěn)定階段均處于穩(wěn)定狀態(tài)，當襯砌結構與圍巖達到支護效果后，主應力較穩(wěn)定，溫度僅影響穩(wěn)定階段主應力水平，但不影響主應力變化態(tài)勢，該階段中熱作用每增大15 ℃，主應力平均降幅為4.2%。各溫度工況進入應力穩(wěn)定階段節(jié)點基本一致，在20 d，從主應力最低點升高至穩(wěn)定階段，溫度愈高，則增幅愈小；表明溫度熱效應對應力變化態(tài)勢過程中幅度差異影響較小。

圖4 圍巖不同溫度下應力變化特征

3.2 位移變化特征

圖5為不同溫度環(huán)境下圍巖位移隨時間變化特征。從圖中可看出，各工況下圍巖位移呈“遞增-穩(wěn)定”兩階段特征，當溫度愈高，則位移愈大，在20 d時，溫度25 ℃下位移為0.35 mm，而溫度為55 ℃、100 ℃時位移較之前者分別增長了14.5%、57.0%，表明圍巖施工期位移與溫度為正相關關系。當襯砌結構初步由初期非穩(wěn)定狀態(tài)逐步產(chǎn)生加固效果后，圍巖斷面上位移逐步穩(wěn)定，各溫度工況下進入位移穩(wěn)定階段時間節(jié)點基本一致，為第45天，在該階段后位移波動幅度較小，各溫度工況最大波動幅度不超過1%。在位移穩(wěn)定階段中溫度25 ℃位移為0.37 mm，而溫度為55 ℃、85 ℃、100 ℃時位移較之前者分別有19.5%、43.9%、61.2%漲幅，從整體變化可知，溫度增大15 ℃，穩(wěn)定階段中位移水平可提高10.6%。綜上分析可知，溫度改變，圍巖受擾動位移變化基本無顯著差異，不論是階段節(jié)點抑或是變化態(tài)勢，但溫度影響了位移水平，且為正向促進效應。

圖5 圍巖不同溫度下位移變化特征

4 結 論

本文主要得到以下幾點結論：

(1)各特征點應力呈“應力降低-應力波動-應力穩(wěn)定”三階段變化；應力降低階段，距離愈遠，降幅愈小；應力穩(wěn)定階段，距離愈遠，穩(wěn)定拉應力愈大，拱頂特征點距離增大10m，穩(wěn)定拉應力平均增幅5.2%；

(2)各特征點位移隨時間為“緩增-陡增-穩(wěn)定”三階段變化，距離愈大，則圍巖擾動及襯砌效應愈弱、進入位移穩(wěn)定階段更為滯后。

(3)圍巖主應力水平與溫度為負相關，但溫度變化不影響襯砌效果，也不影響主應力變化態(tài)勢，僅影響主應力量值水平，溫度每增大15 ℃，穩(wěn)定階段主應力平均降幅為4.2%。

(4)溫度愈高，圍巖位移愈大，但圍巖位移進入穩(wěn)定階段時間節(jié)點均為第45天，溫度增大僅改變了位移量值，增大15 ℃，穩(wěn)定階段中位移水平可提高10.6%。