某水電站導(dǎo)流隧洞開挖與襯砌過程數(shù)值模擬研究

賴小玲 陳藝南 王世梅

(1.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實驗室,湖北 宜昌 443002;2.東南大學(xué) 交通學(xué)院,南京 210008)

水工導(dǎo)流隧洞開挖后由于應(yīng)力釋放而產(chǎn)生卸荷變形,為充分發(fā)揮洞室圍巖的自穩(wěn)能力又能保證洞室穩(wěn)定,按照新奧法原理,隧洞開挖后有一個最佳支護(hù)時間,即在隧洞開挖后經(jīng)歷一段時間待變形發(fā)展到一定階段再進(jìn)行襯砌[1].工程中需要用有限元方法對洞室在開挖、支護(hù)過程中圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行計算和分析,在應(yīng)用有限元方法對隧洞開挖和襯砌過程進(jìn)行數(shù)值模擬時,隧洞開挖后襯砌跟進(jìn)的最佳時間和變形階段往往無法準(zhǔn)確地確定,但兩種極端狀態(tài)可以明確:一是隧洞巖體開挖后,不允許變形,立即襯砌,也即邊開挖邊襯砌,因隧洞剛剛開挖,圍巖應(yīng)力還未釋放,變形未來得及產(chǎn)生,此狀態(tài)下進(jìn)行支護(hù),襯砌所受山巖壓力即為卸荷壓力;二是將隧洞部分巖體開挖后,待變形穩(wěn)定后再加襯砌,因隧洞開挖后應(yīng)力完全釋放,變形已經(jīng)完成,此狀態(tài)下進(jìn)行支護(hù),襯砌所受山巖壓力可能很大、也可能很小,這取決于圍巖變形后是否能夠保持穩(wěn)定[2].實際工程中最佳支護(hù)時間介于這兩種極端狀態(tài)之間.應(yīng)用大型有限元軟件ANSYS對隧洞開挖及襯砌過程進(jìn)行數(shù)值模擬,襯砌跟進(jìn)時間分別采用兩種極端狀態(tài),即待開挖結(jié)束變形穩(wěn)定后再進(jìn)行襯砌,或圍巖開挖后未變形時直接襯砌,在兩種結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合工程實際情況和經(jīng)驗方法,對潘口水電站導(dǎo)流洞洞身段圍巖及襯砌穩(wěn)定進(jìn)行評價,以期為實際隧洞工程設(shè)計提供依據(jù).

1 工程概述

潘口水電站位于湖北省竹山縣境內(nèi),地處堵河干流上游河段,壩址距竹山縣城13 km,距十堰市162 km.水庫正常蓄水位355.00 m,相應(yīng)庫容19.70億m3,水庫總庫容23.38億m3,為完全年調(diào)節(jié)水庫.大壩壩頂高程362.0m,最大壩高114.0m.電站裝機(jī)2臺,總裝機(jī)容量500 MW.潘口水電站導(dǎo)流洞布置在右岸,由進(jìn)口明渠段、進(jìn)口控制段、洞身段及出口明渠段組成.洞身段長549.015m,依次由進(jìn)口2.0m襯厚段、1.5m 襯厚段、1.0m 襯厚洞身段(含堵頭段)、1.2 m襯厚洞身段、出口明洞段組成.上游第1段12.0m長襯砌為漸變段,過水?dāng)嗝嬗?6.5m×18.433 m(寬×高)的圓拱直墻形漸變?yōu)?5.0m×18.0m(寬×高)的圓拱直墻形;此后洞身各段過水?dāng)嗝娉叽缇鶠?5.0m×18.0m(寬×高)、頂拱中心角 120°圓拱直墻形型,如圖1所示.

圖1 導(dǎo)0+431.015m橫剖面圖

2 數(shù)值模擬

2.1 隧洞開挖施工有限元分析力學(xué)原理

用有限元法模擬開挖過程一般分為以下步驟:

(1)計算隧洞開挖前圍巖初始應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)荷載.在巖體自重作用下的初始應(yīng)力σ0用有限元法計算,然后根據(jù)各個單元的初始應(yīng)力,可換算計算各單元節(jié)點(diǎn)荷載

(2)計算隧洞開挖后在開挖邊界節(jié)點(diǎn)上的釋放荷載.邊界上釋放節(jié)點(diǎn)荷載

(3)釋放節(jié)點(diǎn)荷載分N次施加.每次釋放荷載分別如下:

從開挖后到第一次支護(hù)釋放荷載為

式中,α1為百分比,定義為荷載釋放率.α1的取值比較復(fù)雜,跟圍巖級別、施工工藝等因素有關(guān),在不同圍巖級別下,采用相同的隧道開挖步驟、相同的施工工序時其荷載釋放率α1會有所不同,一般根據(jù)經(jīng)驗和工程類比綜合進(jìn)行取值.

根據(jù)該荷載可算得支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的應(yīng)力增量Δσ1和位移增量 Δδ1.

從第一次支護(hù)后到第二次支護(hù)結(jié)釋放荷載

則作用在節(jié)點(diǎn)上的荷載

根據(jù)該荷載可算得支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的應(yīng)力增量Δσ2和位移增量Δδ2.最后的應(yīng)力和位移值為各個施工階段相應(yīng)值相疊加,即

2.2 計算模型與計算條件

選取洞身典型斷面導(dǎo)0+431.015 m進(jìn)行分析,斷面尺寸如圖1所示,該斷面襯砌厚1.2m,采用混凝土C25.洞身過水?dāng)嗝孑^大,斷面上部山體較厚,結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜,故取該斷面進(jìn)行開挖襯砌受力分析.

模型網(wǎng)格如圖2所示,襯砌及圍巖單元類型均采用4節(jié)點(diǎn)plan82平面應(yīng)變單元,其中單元總數(shù)為2864,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為2969.模型中以襯砌底板中點(diǎn)為原點(diǎn),以襯砌橫剖面內(nèi)水平方向為X軸方向,向右為正;以鉛直方向為Y軸方向,向上為正.邊界條件均采用位移邊界條件,上邊界取至地面,為自由面,兩側(cè)邊受法向約束,底邊受兩向約束.計算范圍為:以襯砌外邊界為基準(zhǔn),分別向下、左、右方向延伸30 m,模型總寬77.4m,總高123.7m.計算所用的材料力學(xué)參數(shù)如表1所示.

圖2 模型網(wǎng)格

表1 各種材料的物理參數(shù)表

2.3 開挖及襯砌的數(shù)值模擬

在利用有限元方法對隧洞開挖進(jìn)行數(shù)值模擬時,首先要計算初始地應(yīng)力場.大型通用有限元程序ANSYS采用存儲應(yīng)力的方法,用輸入文件把初始地應(yīng)力作為一種載荷進(jìn)行存儲,這樣初始地應(yīng)力場下的變形就會被清零,在開挖條件下計算得到的變形是因開挖產(chǎn)生的凈變形.在ANSYS程序中,隧洞的開挖與襯砌采用生死單元來現(xiàn)實,即通過單元的“生”與“死”來模擬圍巖的開挖與襯砌[3-5].

數(shù)值模擬分3步完成:第1步,計算開挖前的初始地應(yīng)力和初始位移,計算荷載為巖體自重應(yīng)力;第2步,計算開挖后的應(yīng)力和位移,荷載為初始地應(yīng)力,計算時將自重作用下的位移置零.第3步,計算襯砌后的應(yīng)力和位移,荷載開挖卸荷后的應(yīng)力,計算時將開挖產(chǎn)生的位移也置零.

在隧洞開挖后會產(chǎn)生卸荷變形,為了抑制卸荷變形,要進(jìn)行支護(hù).有限元法在模擬隧洞開挖與支護(hù)時,首先計算開挖后產(chǎn)生的應(yīng)力釋放,然后將釋放后的應(yīng)力施加到下一步襯砌計算中.選擇何時進(jìn)行襯砌是隧洞開挖過程中的一個瓶頸,支護(hù)過早或過晚均不能充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力,實際工程中一般按經(jīng)驗類比法來確定襯砌最佳支護(hù)時間.按照經(jīng)驗確定的支護(hù)時間給數(shù)值模擬帶來了困難,應(yīng)力釋放多少難于明確.為此,針對兩種極端情況進(jìn)行數(shù)值模擬:(1)將隧洞部分巖體開挖后,待變形穩(wěn)定后再加襯砌;(2)隧洞巖體開挖后,不允許變形,立即襯砌,也即邊開挖邊襯砌.情況(1)在實際工程中表現(xiàn)為支護(hù)過晚,此時圍巖已變形完成,易造成圍巖失穩(wěn),不能充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力;情況(2)則表現(xiàn)為支護(hù)過早,圍巖開挖時應(yīng)力沒來得及釋放,過大應(yīng)力易造成襯砌變形過大甚至破壞.實際工程中的最佳支護(hù)時間在以上兩種極端情況之間,實際隧洞襯砌后的應(yīng)力和位移也在上述兩種情況之間.因此,計算結(jié)果對于實際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計具有理論參考價值.

3 結(jié)果及分析

按照上述兩種極端情況對該隧洞進(jìn)行開挖與襯砌過程的數(shù)值模擬,計算得到的隧洞襯砌應(yīng)力及位移分布如圖3所示.在隧洞襯砌周邊選取8個典型幾何控制點(diǎn)的計算結(jié)果進(jìn)行分析,8個典型幾何控制點(diǎn)分布如圖4所示,各點(diǎn)應(yīng)力及位移數(shù)值見表2.

圖3 隧洞襯砌中應(yīng)力及位移等值線分布圖

圖4 襯砌斷面典型幾何控制點(diǎn)分布

從圖3中可以看出,兩種情況下計算出的應(yīng)力及位移分布規(guī)律基本一致:在襯砌中均產(chǎn)生近乎對稱的位移和應(yīng)力,由于襯砌受圍巖壓力的作用,襯砌側(cè)墻水平位移均指向臨空面,豎向位移均豎直向下,襯砌各部位均出現(xiàn)不同程度的壓應(yīng)力,局部出現(xiàn)水平拉應(yīng)力,且均在側(cè)墻與地板連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,具體數(shù)值見表2.不同之處:第(1)種情況下,由于襯砌支護(hù)時,圍巖已經(jīng)變形穩(wěn)定,故襯砌中水平位移很小,可忽略不計,而第(2)種情況相比之下,水平位移要大得多,最大值為0.76mm,發(fā)生在側(cè)墻處;情況1中Y向位移仍然很小,最大值只有0.324mm,發(fā)生在側(cè)墻與底板交接處,由于值很小,可忽略不計,而情況2中由于是邊開挖邊襯砌,襯砌在山巖壓力釋放的過程中發(fā)生了向臨空面的位移,即頂拱位移向下,數(shù)值約為3.74mm,側(cè)墻中部在上部及左右山巖壓力的共同作用下,位移也向下,而底板則向上變形,中部位移達(dá)4.223mm;情況(2)中X,Y方向應(yīng)力明顯大于情況(1),二者在數(shù)值上相差一個數(shù)量級.此外,在情況(2)中由于襯砌底板的巖體應(yīng)力釋放,向上隆起,故在襯砌底板內(nèi)側(cè)邊緣處產(chǎn)生2.55MPa的拉應(yīng)力.

表2 隧洞襯砌各控制點(diǎn)應(yīng)力和位移值 (位移單位:mm;應(yīng)力單位:MPa)

4 結(jié) 論

(1)采用存儲應(yīng)力的方法對隧洞開挖與襯砌過程進(jìn)行數(shù)值模擬,使得每次開挖與襯砌過程計算得到的變形均為凈變形,計算結(jié)果清晰明了,并且簡化了變形過程的數(shù)據(jù)處理.

(2)在實際隧洞開挖中如果不能確定最佳支護(hù)時間和相應(yīng)的應(yīng)力釋放比例,則可通過對開挖應(yīng)力釋放荷載兩種極端情況進(jìn)行計算,計算結(jié)果表明:對于開挖變形完成后再進(jìn)行襯砌的情況,襯砌承受的山巖壓力較小,襯砌幾乎不發(fā)生變形,這種情況計算結(jié)果偏于安全;對于開挖后不允許圍巖變形立即襯砌的情況,襯砌承受的山巖壓力大,襯砌發(fā)生較大位移,并且在襯砌局部出現(xiàn)較大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力,這種情況計算結(jié)果偏于危險.但兩種情況的計算結(jié)果為實際開挖與襯砌后的應(yīng)力和變形提供了參考范圍.

(3)在實際隧洞開挖中如果能夠確定最佳支護(hù)時間和相應(yīng)的應(yīng)力釋放比例,便可將按比例應(yīng)力釋放后的應(yīng)力存儲起來作為襯砌計算時的初始荷載進(jìn)行數(shù)值模擬,因而可以準(zhǔn)確計算出襯砌后的應(yīng)力和位移.

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