基于ANSYS 的引水隧洞有限元分析

張羽佳

（陜西黃河古賢水利樞紐開發(fā)有限公司,陜西 西安 710032）

1 工程概況

某供水工程為Ⅰ等大（1）型工程,根據(jù)相關(guān)報(bào)告可知,該工程灌溉總面積436.82 萬畝,年引水量17.25 億m3,設(shè)計(jì)最大引水流量147.68 m3/s,根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）,確定調(diào)水工程等別為Ⅰ等大（1）型,大壩取水口、輸水隧洞、輸水干渠等主要建筑物級(jí)別為1 級(jí),分布于各支線的調(diào)蓄水庫、調(diào)蓄池、泵站、輸水支管等建筑物按其自身規(guī)模確定其建筑物級(jí)別,施工導(dǎo)流等臨時(shí)建筑物為 4 級(jí)。

該供水工程主要由干線工程、城鎮(zhèn)及工業(yè)用水線路工程、灌溉線路工程等組成。其中干線工程主要為 1 條干洞、3 條干渠。干洞全段采用有壓輸水,隧洞斷面形式為圓形,洞徑11.0 m,采用35 cm 厚C50 鋼筋混凝土襯砌。本次選取干洞進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析,為混凝土襯砌配筋設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 有限元模型建立

選用SOILD186 實(shí)體單元模擬引水隧道,有限元計(jì)算模型見圖1,計(jì)算模型單元網(wǎng)格見圖2。管道內(nèi)徑11 m,混凝土厚35 cm,模型單元總數(shù)3040 個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)21660 個(gè)。X 軸水平向右為正,Y 軸豎直向上為正。

圖1 引水隧洞計(jì)算模型

圖2 引水隧洞計(jì)算模型單元網(wǎng)格

3 計(jì)算參數(shù)及工況

3.1 計(jì)算參數(shù)

引水隧洞混凝土襯砌參數(shù)見表1,圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 襯砌混凝土參數(shù)表

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 計(jì)算工況

本文在計(jì)算分析過程中,計(jì)算工況及荷載組合根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）進(jìn)行選擇,結(jié)果見表3。根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008）,各工況系數(shù)選取見表4。

表3 計(jì)算工況及荷載組合

表4 各工況系數(shù)選取表

3.3 計(jì)算荷載

3.3.1 圍巖壓力

進(jìn)行圍巖壓力計(jì)算時(shí),根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 744-2016）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行計(jì)算,其中的垂直圍巖壓力基于公式（1）進(jìn)行分析,而水平方向的則根據(jù)公式（2）確定：

式中：qvk為垂直均布?jí)毫?biāo)準(zhǔn)值,kN/m2；γR為巖體重度,kN/m3；B為洞室開挖寬度,m。

式中：qhk為水平均布?jí)毫?biāo)準(zhǔn)值,kN/m2；H為洞室開挖高度,m。

3.3.2 內(nèi)水壓力

內(nèi)水壓力計(jì)算是根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 744-2016）進(jìn)行分析,由公式（3）確定出襯砌的內(nèi)水壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)值：

式中：pw為內(nèi)水壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2；γw為水的重度,本文計(jì)算時(shí)采用9.8 kN/m3；H為作用水頭,m。

3.3.3 外水壓力

進(jìn)行外水壓計(jì)算時(shí),根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 744-2016）,由公式（4）確定出襯砌的外水壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)值：

式中：pek為相應(yīng)的外水壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2；βe為外水壓力折減系數(shù),本文在計(jì)算分析時(shí)采用0.4；He為作用水頭,m。

3.3.4 灌漿壓力

回填灌漿壓力采用0.3 MPa,灌漿作用范圍為頂拱120°。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

3.4.1 正常運(yùn)行工況

正常運(yùn)行工況下,引水隧洞徑向應(yīng)力為壓應(yīng)力,最大值2.70 MPa,環(huán)向應(yīng)力最大值1.33 MPa。引水隧洞徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力分布見圖3～圖4。

圖3 正常運(yùn)行工況徑向應(yīng)力云圖

圖4 正常運(yùn)行工況環(huán)向應(yīng)力云圖

3.4.2 檢修工況

檢修工況下,引水隧洞徑向應(yīng)力最大值0.00055 MPa,環(huán)向應(yīng)力為壓應(yīng)力,最大值1.8 MPa。引水隧洞徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力分布見圖5～圖6。

圖5 檢修工況徑向應(yīng)力云圖

圖6 檢修工況環(huán)向應(yīng)力云圖

3.4.3 施工工況

施工工況下,引水隧洞徑向應(yīng)力最大值0.025 MPa,環(huán)向應(yīng)力最大值0.31 MPa。引水隧洞徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力分布見圖7～圖8。

圖7 施工工況徑向應(yīng)力云圖

圖8 施工工況環(huán)向應(yīng)力云圖

3.4.4 襯砌配筋計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,引水隧洞在正常運(yùn)行工況下最為不利,最不利工況下環(huán)向應(yīng)力最大值1.33 MPa。選取最大應(yīng)力路徑進(jìn)行配筋計(jì)算,計(jì)算得配筋面積1546 mm2,配筋結(jié)果為520@20,AS=1570 mm2。

4 結(jié)語

本文對(duì)某供水工程引水隧洞應(yīng)力情況進(jìn)行研究,采用ANSYS 軟件建立隧洞三維有限元模型,分析了隧洞在正常運(yùn)行、檢修、施工三種工況下的應(yīng)力分布情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,隧洞在正常運(yùn)行工況下最為不利。根據(jù)應(yīng)力分布結(jié)果,引水隧洞配筋面積1546 mm2,選配520@20 鋼筋。