考慮襯砌和圍巖相互作用的壓力輸水隧洞滲流特性研究

陳進輝,林 華

(云南省滇中引水工程建設管理局楚雄分局，云南 楚雄 675000)

1 考慮滲流的圍巖和襯砌相互作用

圍巖和襯砌相互作用是一個復雜的過程，在這個過程中，內部水會通過破裂的襯砌和多孔巖體發生泄漏。這種相互作用符合兼容性和連續性條件，混凝土襯砌和圍巖之間的充分接觸符合相容性條件，內部水壓作用于混凝土襯砌和巖體的機理基于體力理論。在分析輸水隧洞襯砌時，解析解由作為彈性、同質和各向同性材料的混凝土襯砌和圍巖進行計算。襯砌開裂前，鋼筋混凝土襯砌的滲透系數非常小，襯砌中的孔隙水壓力呈對數分布。

2 輸水隧洞模型

本研究以云南省某大壩的輸水隧洞作為案例研究。利用ABAQUS有限元程序對輸水隧洞進行了模擬。如圖1所示，假設隧洞為直徑11 m的圓形，為了模擬地面的無限邊界條件，地面選擇了深度和寬度為110 m的塊體，隧洞長度為1 m。初始條件指定垂直和水平地應力分布、孔隙水壓力。使用彈性-完全塑性破壞準則和非關聯流動準則來描述假定處于非線性彈塑性框架中的巖體。根據結構隧洞設計，隧洞內外襯砌表面鋼筋的最小混凝土保護層為5～7 cm。根據提出的解析解，灌漿巖體區的半徑取輸水隧洞半徑的兩倍。巖體和混凝土襯砌選用8節點三線位移和孔隙壓力單元(C3D8P)，加固區選用2節點線性桁架單元(T3D2)。逐漸施加襯砌內表面的內水壓力，以達到最大內水壓力和穩定狀態。對于內水壓力加載階段，應考慮兩個滲透邊界：第一個邊界位于內部水壓施加的鋼筋混凝土襯砌內表面，第二個邊界位于模型域外部，該邊界等于零，因為假定隧洞處于排水條件[1-6]。鋼筋混凝土硬化過程中的拉伸屈服應力是從拉伸試驗結果中獲得的，如圖2所示。巖體、鋼筋和混凝土襯砌的材料特性如表1所示。

圖1 有限元計算模型

表1 材料力學參數

圖2 滲流計算中解析法和數值法結果的比較

3 結果與討論

為了在ABAQUS軟件中模擬鋼筋混凝土襯砌與圍巖之間相互作用，需要使用耦合單元來模擬滲流場和應力場特征。通過解析解和數值解獲得的混凝土襯砌和巖體界面上的滲流量結果如圖2所示。結果表明，數值解和解析解之間存在±6%的差異，這表明模型的彈性行為結果與解析解的結果吻合良好。圖3顯示了鋼筋混凝土襯砌中由于受損狀態而產生的裂縫發展。通過增加內水壓力，拉應力超過混凝土襯砌的抗拉強度，鋼筋混凝土襯砌在水的作用下出現裂縫。此外，隨著混凝土襯砌中張力裂縫的發展，襯砌的滲透系數大大增加，但襯砌中的滲透壓力逐漸降低。拉伸時的等效塑性應變與高內水壓下混凝土襯砌的破壞狀態和裂縫發展有關[7-10]。

圖3 襯砌張力受水壓的影響

圖4為襯砌的應力和滲透系數隨水壓力變化關系，鋼筋混凝土襯砌的滲透系數變化和應力是由內水壓荷載引起的。當鋼筋混凝土襯砌的滲透系數增加至1.5×10-8m/s左右后開裂，應力變化呈下降趨勢。圖5比較了在3.0 MPa的內部水壓下鋼筋布局為Φ16 mm@20 cm、Φ20 mm@30 cm和Φ25 mm@50 cm的混凝土襯砌的應力和應變關系，鋼筋Φ16 mm@20 cm處的應力低于允許值。由于應力取決于裂縫開口的程度，混凝土襯砌上的裂縫以微裂縫的形式分布，不會導致隧道大量滲水。當混凝土襯砌開裂時，輸水隧洞的滲流和滲流損失取決于襯砌裂縫和周圍巖體之間的滲透系數以及通過這些材料的滲透壓力。圖6給出了在相同鋼筋百分比下，不同直徑和間距的襯砌拱內滲流分布和隧洞的滲流損失，在2.3 MPa內水壓力下，混凝土襯砌中Φ16 mm@20 cm和Φ20 mm@30 cm兩種狀態下襯砌拱內(圖6(a)、圖6(b))的滲流分別為1.38×10-5m/s和2.35×10-5m/s。兩種狀態隧洞(圖6(c)、圖6(d))的滲流損失也達到1.66×10-6m3/s和2.38×10-6m3/s。由于混凝土開裂前內部水壓的變化高達2.3 MPa，隧洞的滲流均勻增加，如圖7所示。由于隧洞上方不存在地下水位，因此，滲流量的分布完全由襯砌和圍巖的滲透系數控制。

圖4 襯砌的應力和滲透系數隨水壓力變化關系

圖5 不同直徑和間距鋼筋的應力-應變曲線

圖6 在相同鋼筋百分比下，不同直徑和間距的襯砌拱內滲流分布和隧洞的滲流損失

圖7 隧洞的內部水壓和滲流

4 結 論

本研究考慮了襯砌-圍巖相互作用下的輸水隧洞滲透特性。模擬了巖體和混凝土襯砌均勻、各向同性和彈性特性的有限元模型。探索了滲流作用對鋼筋混凝土襯砌和圍巖的影響，分析了孔隙流體應力特征。結果表明，鋼筋混凝土襯砌和巖體上的高內水壓力對滲透系數有顯著影響，混凝土襯砌中鋼筋的合理分布有助于減少塑性應變和滲流。