穿越膨脹巖地層輸水隧洞襯砌結構地震響應分析

林永俊

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程背景

上英水庫位于遼寧省海城市王石鎮上英村境內，是遼寧省重要河流太子河支流五道河上的骨干性水利工程。水庫壩址以上流域面積54km2，占全流域面積的19.3%。該水庫屬于Ⅲ等工程，大壩、溢洪道和輸水洞等主要水工建筑物為3級。水庫按照100年一遇洪水標準設計，1000年一遇洪水標準校核。水庫的輸水洞位于大壩右側的山體中，其斷面設計為單孔馬蹄型斷面隧洞，洞徑2.0m，進口高程80m，出口高程78m，主洞全長398m。根據施工技術資料，輸水洞周邊的地質環境整體良好，僅在洞室的176m和326m部位存在兩處斷層，斷層破碎帶的寬度均在10m以上，同時，洞身區域分布有白堊紀地層，其巖性主要是砂巖、泥巖和礫巖，主要地層為砂巖夾泥巖，具有遇水膨脹特征。該區的地下水主要是裂隙水和孔隙水，可以為巖層的軟化和膨脹提供豐富的水源條件。另一方面，海城市位于郯城-營口地震帶上，在1975年2月4日發生7.3級強震，對周邊的建筑物產生了嚴重的破壞性影響。因此，研究和分析穿越膨脹巖地層輸水隧洞襯砌結構地震響應特征，對工程運行管理和安全維護具有重要意義。

2 有限元計算模型

2.1 模型的構建

FLAC是工程界常用的數值模擬計算軟件，其計算原理是有限差分法，也就是拉格朗日連續介質法，其英文表述為Fast Lagrangian Analysis of Continua，FLAC為其首字母的縮寫[1]。在模擬巖土體的本構模型中，鄧肯-張模型得到了十分廣泛的應用，但是該模型難以考慮中主應力效應的固有缺陷，計算獲取的土體變形偏大[2]。基于此，此次模擬計算中參考相關文獻，基于FLAC3D實現考慮中主應力效應的改進鄧肯-張模型的二次開發，對背景工程襯砌結構地震響應進行模擬計算[3]。

在模型構建過程中，選擇背景工程輸水隧洞0+276.00—0+286.00洞段作為研究洞段，該段輸水隧洞的埋深為28m左右。綜合考慮計算結果的精度和準確性以及計算過程的簡潔性和便捷性，地下洞室工程的模型計算范圍一般為開挖洞徑的3～5倍[4]。結合背景工程的設計方案，模型x軸方向的寬度為30m，y軸方向的長度為10m，z軸方向上的高度為30m，整個模型的尺寸為30m×30m×10m。對模型采用六面體八節點網格單元剖分，整個模型劃分為163200個網格單元和171349個節點[5]。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件和計算參數

結合研究的實際需要，對模型設置位移邊界條件，其中模型的底部施加全位移約束條件，模型的兩側施加豎向位移條件，模型的頂部為自由邊界條件，不施加位移約束[6]。結合相關的工程設計規范和背景工程的地質資料，確定表1的模型材料計算參數。

2.3 計算方法

在模擬計算過程中選擇的是1940年美國Empire Volley區域記錄的EI-Centro波，輸入的動力荷載采用的是基本烈度為7度，峰值加速度為0.15g的50年水平上超越概率為0.1的水平地震波[7]。計算中的濾波和基線調整使用Seismo Signal軟件[8]。在保證加速度的峰值以及頻譜特征滿足相關要求之后，在模型的水平和豎向同時輸入地震荷載，兩者的加速度的幅值比為1∶0.6，出于減少計算量和計算時間的考慮，僅截取15s的地震波，其加速度時程曲線如圖2所示。出于節約計算時間的考慮，模型采用局部阻尼[9]。鑒于巖土體的臨界阻尼比一般為0.01～0.05之間，此次研究計算將臨界阻尼比確定為0.05，局部阻尼系數確定為0.157。

表1 模型材料計算參數

圖2 地震波速度時程曲線

在模型計算完畢之后，在輸水洞襯砌的內側選取拱頂、左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳、仰拱等8個監測點，對襯砌結構的位移、襯砌加速度響應和襯砌應力進行分析。為了研究地震作用下隧道的位于不同級別巖層的響應情況，設計3種計算工況，工況1為Ⅱ級圍巖；工況2為Ⅲ級圍巖，工況3為Ⅳ級圍巖。

3 計算結果與分析

3.1 位移分析

利用構建的數值計算模型，對輸水隧洞位于不同巖層位置時地震荷載作用下的位移情況進行計算，獲得不同工況下各個監測點的位移值，結果見表2。從計算結果可以看出，在不同工況下，各個監測點的位移值變化特征基本一致，均為輸水洞的拱頂部位位移值最大，仰拱部位的位移值最小，左右拱腳、左右拱腰以及左右拱肩的位移值基本相等。由此可見，在地震荷載的作用下，隧道不同位置的地震位移響應規律基本一致，主要表現為上部變形大于下部變形，且呈現出比較顯著的左右對稱特點。另一方面，不同計算工況的結果對比來看，工況3的位移計算結果最大，工況2次之，工況3的位移值最小。由此可見，圍巖的等級對地震位移響應存在比較明顯的影響，圍巖等級越低，位移值越大。因此，在工程設計和建設中，針對輸水隧洞穿越低圍巖等級區域，應該提高圍巖加固和襯砌質量，以提高輸水隧洞工程的整體抗震能力。

表2 襯砌關鍵部位位移峰值計算結果 單位：mm

3.2 襯砌加速度響應分析

利用構建的數值計算模型，對輸水隧洞位于不同巖層位置時地震荷載作用下的加速度響應情況進行計算，獲得不同工況下各個監測點的加速度峰值，結果見表3。從計算結果可以看出，在不同計算工況下，加速度變化特征具有相似性，說明在地震作用下圍巖等級不會對襯砌結構的加速度響應規律產生顯著影響。具體來看，在輸水隧洞的拱頂部位加速度的響應值最小，拱腳或仰拱部位加速度的響應值最大。另一方面，不同計算工況的加速度峰值存在一定的差異，說明輸水隧洞圍巖等級會對加速度響應值的大小產生一定的影響，輸水隧洞圍巖等級越高，加速度峰值響應值越小，圍巖等級越低，加速度峰值響應值越大。

表3 襯砌關鍵部位加速度峰值計算結果 單位：cm/s2

3.3 襯砌應力分析

利用構建的有限元計算模型對輸水隧洞襯砌結構在地震作用下的應力相應進行模擬計算，在計算結果中提取出各個監測點的第一主應力和第三主應力峰值，結果分別見表4—5。從計算結果可以看出，在3種計算工況下，輸水隧洞襯砌結構的主應力峰值均呈現出比較明顯的對稱分布特征。其中仰拱部位的主應力峰值最小，拱腳部位的主應力峰值最大。由此可見，輸水隧洞在地震作用下拱腳部位為薄弱點。從不同計算方案的結果對比來看，工況3的主應力峰值最大，方案2次之，方案1的主應力峰值最小，但是3種方案的主應力峰值比較接近差距并不明顯。由此可見，圍巖等級雖然對襯砌結構的主應力峰值存在一定的影響，但是影響并不明顯。

表4 襯砌關鍵部位第一主應力峰值計算結果 單位：MPa

表5 襯砌關鍵部位第三主應力峰值計算結果 單位：MPa

4 結語

此次研究以具體工程為依托，利用數值模擬的方式探討了穿越膨脹巖地層輸水隧洞襯砌結構地震響應特征，并獲得如下主要結論：

(1)在地震荷載作用下，輸水隧洞襯砌結構上部的位移量相對較大，且呈現出比較顯著的左右對稱特點；圍巖的等級越低，襯砌結構各部位的峰值位移量越大。

(2)在地震荷載作用下，輸水隧洞襯砌結構上部的加速度峰值相對較大，且呈現出比較顯著的左右對稱特點；圍巖的等級越低，襯砌結構各部位的加速度峰值越大。

(3)在地震荷載作用下，輸水隧洞襯砌拱腳部位的主應力峰值較大；圍巖等級對主應力峰值的影響不明顯。