基于數值模擬的引水隧洞襯砌結構破壞特征分析

毛曉超

(吉安市水利水電規劃設計院，江西 吉安 343000)

1 工程概況

某引水隧洞地貌類型為侵蝕堆積一級階地地貌，圍巖等級主要為Ⅴ、Ⅳ2、Ⅳ1，地形較平坦；隧洞范圍主要位于微風化地層中，覆土厚度約為35～45 m。

該引水隧洞采用錯縫拼裝，襯砌環由6塊C55混凝土管片通過12根M24彎螺栓拼裝而成，管片厚度300 mm，隧道外徑6000 mm，內徑5400 mm，環向寬度1.2 m。

地下水以風化裂隙水及構造裂隙水為主，主要以層狀、帶狀賦存于巖石的強風化帶、中等風化～微風化的節理發育帶及構造破碎帶中，由于裂隙發育不均勻，其富水性不均勻，在局部構造發育帶處地下水賦存較豐富，且具一定的承壓性，在洞室開挖過程中會表現為線狀水流或突涌的現象[1-5]。

2 材料與方法

以引水隧洞的管片襯砌結構為研究對象，建立有限元模型，管片襯砌結構的材料相關參數如表1所示，其有限元模型及監測點如圖1所示。

圖1 引水隧洞模型

表1 管片襯砌結構的材料相關參數

3 結果分析

為驗證采用有限元軟件對引水隧洞管片襯砌結構進行分析的準確性，開展襯砌接頭荷載試驗，對比孔深為15 cm時的管片襯砌結構接頭張開量，內水壓-接頭張開變化量見圖2。

圖2 內水壓-接頭張開變化量曲線

不同位置的接頭張開量變化趨勢具有一定的差異性，上部接縫的接縫張開變化量與其內水壓間呈正相關關系，隨著內水壓的增大，其接縫張開量逐漸增大；下部接縫的接縫張開變化量與其內水壓間呈負相關關系，隨著內水壓的增大，接縫張開量逐漸減小；說明在內水壓作用下，管片襯砌結構的上部接頭呈張開狀態，下部接頭呈壓縮狀態。當內水壓較小時，管片襯砌結構的接縫張開變化量變化趨勢較為平緩，隨著內水壓的增大，上升、下降趨勢顯著，說明在加載的前期，管片襯砌結構的接縫張開量處于零增長階段，隨著加載的進行，管片襯砌結構處于變形階段。不同接縫位置接頭張開量變化量的試驗值與模擬值差距較小，其中，上部接縫的差距較大，當內水壓為0.17 MPa時，其差距最大，其值為0.24 mm，說明采用有限元模擬對管片襯砌結構進行分析的準確性較高。

為分析引水隧洞管片襯砌結構的受力特性，分析其管片、內襯及鋼套筒所受水壓力情況，內水壓-管片分擔內水壓比例曲線如圖3所示。

圖3 內水壓-管片分擔內水壓比例曲線

由圖3可知，不同截面的管片分擔內水壓比例變化趨勢具有一致性，其內水壓與管片承擔的水壓力比例呈正相關關系，隨著內水壓的增大，管片分擔內水壓比例逐漸增大；當內水壓為0.1～0.6 MPa時，管片分擔內水壓比例緩慢增長，當內水壓為0.6～0.7 MPa時，管片分擔內水壓比例增長趨勢顯著，不同截面的管片分擔內水壓比例增長量在10 %左右，當內水壓>0.7 MPa時，管片分擔內水壓比例增長趨勢逐漸趨于平緩。

同一內水壓下，不同截面的管片分擔內水壓比例具有一定的差異性，其中，標準塊B2主截面的不同截面的管片分擔內水壓比例最大，其最大管片分擔內水壓比例為51.6 %；封頂塊F主截面的管片分擔內水壓比例最小，其最大管片分擔內水壓比例為44.7 %。綜合以上分析可得，當內水壓較小時，管片分擔內水壓較小，隨著內水壓的增大，襯砌管片結構分擔更多的內水壓，且即使內水壓持續增大，內水壓的分擔比例仍保持穩定。

內水壓-自密實混凝土內襯分擔內水壓比例曲線如圖4所示。由圖4可知，混凝土內襯分擔內水壓比例與內水壓間呈負相關關系，隨著內水壓的增大，混凝土內襯分擔內水壓比例逐漸減小，當內水壓為0.6～0.7 MPa時，混凝土內襯分擔內水壓比例下降趨勢顯著，最大差值為16 %，混凝土內襯分擔內水壓比例變化趨勢較為平緩，隨內水壓的增大，下降趨勢較為平緩，說明當內水壓較小時，混凝土內襯對內水壓的分擔比例較大，結合圖2可得，隨著內水壓的增大，混凝土內襯對內水壓的分擔逐漸轉移至管片。在同一內水壓下，不同截面位置的混凝土內襯分擔內水壓比例具有一定的差異性，其中，封頂塊F主截面的混凝土內襯分擔內水壓比例最大；當內水壓<0.6 MPa時，標準塊B3主截面的混凝土內襯分擔內水壓比例最小，當內水壓>0.6 MPa時，標準塊B2主截面的混凝土內襯分擔內水壓比例最小；說明混凝土內襯的內水壓主要由封頂塊F承擔。

圖4 內水壓-自密實混凝土內襯分擔內水壓比例曲線

內水壓-鋼套筒分擔內水壓比例曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著內水壓的增大，鋼套筒分擔內水壓比例呈先下降、后上升的趨勢，當內水壓>0.6 MPa時，內水壓與鋼套筒分擔內水壓比例呈正相關關系，當內水壓>0.7 MPa時，鋼套筒分擔內水壓比例增長趨勢較為平緩；說明當內水壓較小時，鋼套筒分擔的內水壓力較小，隨著內水壓的增大，鋼套筒分擔的內水壓力逐漸增大。當內水壓<0.6 MPa時，封頂塊F主截面分擔的內水壓比例最大，標準塊B2主截面分擔的內水壓比例最小；當內水壓>0.6 MPa時，鄰接塊L1主截面分擔的內水壓比例最大，標準塊B3主截面分擔的內水壓比例最小；說明隨著內水壓的增大，鋼套筒分擔內水壓逐漸由封頂塊F主截面轉移到鄰接塊L1主截面。對比圖2、圖3可得，管片襯砌結構受水壓力的變化規律總體表現為：當內水壓較小時，襯砌結構處于彈性階段，此時結構的水壓力主要由混凝土內襯承擔，其次為鋼套筒，再次為管片；隨著內水壓的增大，混凝土內襯所承擔的水壓力逐漸減小，襯砌結構處于開裂破壞階段，此時內水壓逐漸由混凝土內襯轉移至管片及鋼套筒，且管片承擔的內水壓較大，隨著內水壓的持續增大，混凝土內襯承擔內水壓的比例持續減小，鋼套筒承擔的內水壓比例逐漸增大，管片承擔的內水壓變化趨勢較為平緩，此時鋼套筒與管片對于內水壓承擔的比例較為接近，管片與鋼套筒聯合受力，混凝土內襯承擔的內水壓較小。

圖5 內水壓-鋼套筒分擔內水壓比例曲線

當引水隧洞管片襯砌結構受到內水壓作用時，管片及混凝土內襯發生開裂，為分析襯砌結構開裂變形與其所受內水壓間的關系，作內水壓-混凝土開裂區域百分比曲線，如圖6所示。由圖6可知，內水壓與混凝土開裂區域百分比呈正相關關系，隨著內水壓的增大，管片與混凝土內襯混凝土開裂區域百分比逐漸增大；當內水壓<0.5 MPa時，管片與混凝土內襯混凝土開裂區域百分比變化趨勢較為平緩，且管片的開裂區比例大于混凝土內襯的開裂區比例，隨著內水壓的持續增大，管片與混凝土內襯混凝土的開裂區域百分比增長趨勢顯著，當內水壓>0.6 MPa時，混凝土內襯的開裂區域比例大于管片的開裂比例，說明當內水壓較小時，引水隧洞襯砌結構的開裂以管片開裂為主，隨著內水壓的增大，開裂以混凝土內襯為主。

圖6 內水壓-混凝土開裂區域百分比曲線

4 結 論

(1)不同接縫位置接頭張開量變化量的試驗值與模擬值差距較小，其中，上部接縫的差距較大，當內水壓為0.17 MPa時，其差距最大，其值為0.24 mm。

(2)內水壓與管片承擔的水壓力比例呈正相關關系，不同截面的管片分擔內水壓比例增長量在10 %左右，當內水壓>0.7 MPa時，管片分擔內水壓比例增長趨勢逐漸趨于平緩。

(3)不同截面位置的混凝土內襯分擔內水壓比例具有一定的差異性，其中，封頂塊F主截面的混凝土內襯分擔內水壓比例最大；當內水壓<0.6 MPa時，標準塊B3主截面的混凝土內襯分擔內水壓比例最小，當內水壓>0.6 MPa時，標準塊B2主截面的混凝土內襯分擔內水壓比例最小。