電站引水隧洞圍巖襯砌應力分析

梁艷秋

(黑龍江省水電局，哈爾濱150040)

0 前 言

引水隧洞支護計算需要考慮圍巖和支護結(jié)構共同作用，所選用的材料一般都是非線性的二維與三維問題。

一般有限元軟件處理大變形問題時，計算量非常大，效率低且對計算機配置要求高，分析結(jié)果不收斂。有限元差分法是基于三維顯式有限差分法的三維快速拉格朗日數(shù)值分析法，來計算場的控制微分方程，對塑性流動、大變形問題、屈服問題等有獨特優(yōu)點，模擬巖土這種特殊材料的力學問題，可以得到理想的結(jié)果。

1 工程模擬

該水電站位于牡丹江市東寧縣綏芬河干流上，引水隧洞位于河右岸低山丘陵地帶，其軸線走向為93°，長約3 630 m，平面按直線布置，斷面為圓形，縱坡i=0.0065。地形起伏較大，相對高差約240m，地面坡度約30°～60°。山體主要由燕山期花崗巖、侏羅系凝灰?guī)r組成。

數(shù)值模擬計算的結(jié)果的可信度及與工程實際的符合程度很大一部分取決于數(shù)值模型是否對工程進行正確的抽象描述。本模型數(shù)值分析分為運營期、檢修期和施工期3 種條件下工況，將整個材料視為均質(zhì)的巖體。根據(jù)隧道的工程概況和相關材料建立的基本數(shù)值模型，模型隧洞為圓形，開挖半徑為4.1m，水平向跨度為50m，沿開挖向長度為1 個單位長度，拱頂覆土為26m，下邊界距隧道底部為26m。模型的上部為自由邊界，底部進行豎向約束，另外四個側(cè)面為法向約束邊界。

圍巖采用三維實體單元，襯砌采用shell 單元，計算中圍巖視為均一材料，襯砌視為彈性體。取淺埋隧道形式，計算時對于結(jié)構應力不進行考慮，僅考慮巖體自重應力與水壓力影響。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料，圍巖的參數(shù)為V 級圍巖［1］。

3 種工況均采用Mohr—Coulomb 模型進行計算，所涉及的巖土體物理力學參數(shù)具體如表1。

表1 引水隧道計算力學參數(shù)

2 對隧洞進行FLAC 分析

對于隧洞不同時期進行了3 種工況的模擬，考慮結(jié)果的可比性，3 種工況計算流程完全相同，通過計算，對結(jié)果進行分析對比，掌握隧洞各個時期受力和位移特點，見表2。

表2 引水隧洞計算的3 種工況

隧道開挖完成后，圍巖向開挖形成的臨空面方向產(chǎn)生變形，總體上表現(xiàn)為拱頂附近的下沉和仰拱部位的上抬，拱腰部位產(chǎn)生大致水平向收斂位移，為了清晰對比各個時期不同條件下隧洞的位移應力情況，3 種工況模型采用相同開挖步驟和相同支護形式。由于篇幅所限，僅附M1 工況下云圖，M2 與M3省略，見圖1 所示。

表3 3 種工況荷載下排水圍巖位移應力結(jié)果

豎向位移最大工況為施工工況，其次為檢修工況，最小的為運營工況，運營期間隧洞內(nèi)內(nèi)水壓力對外部的圍巖豎向壓力有1 個支撐作用。水平收斂位移的基本分布規(guī)律大體相同，最大值都處于拱腰位置。洞內(nèi)水力壓強對水平位移影響要弱于施工期注漿壓強影響，但注漿壓強是暫時的，在完成凝結(jié)和對圍巖擠密作用后會對整個體系起到加固作用，而內(nèi)水壓強是持久性的。

3 種工況條件下圍巖的應力分布基本一致，不同工況條件對圍巖應力的影響要小于對位移的影響，應力重分布區(qū)域集中于隧洞周圍，對于該工程背景下的隧洞來說應力重分布區(qū)域集中在隧洞周圍4m范圍內(nèi)?？梢钥闯?，施工工況條件下隧洞應以重分布影響范圍要大于運營工況和檢修工況條件。3 種工況的豎向應力重分布后隧洞周圍應力處于0.2 ～0.4 MPa是與分層應力差別較大應力范圍，從圖1 來看洞周應力值和范圍越小，分層越不明顯，應力重分布范圍和程度越大。拱底位置比其他同水平地層有所降低這是由于拱底的隆起趨勢造成。隧洞周圍施工工況條件下水平應力(X 向)、最大主應力(Smax)、最小主應力(Smin)低于同水平層底層應力一個分層，進一步說明該工況應力重分布范圍和程度大于其他兩種工況。

支護設施是隧道開挖后對圍巖的支撐結(jié)構和加固措施，是不能達到自穩(wěn)的巖體在開挖后，圍巖系統(tǒng)達到穩(wěn)定的根本原因，所以支護結(jié)構的受力狀況是評價圍巖穩(wěn)定性的重要指標。

圖1 M1 工況下圍巖分析

表4 3 種工況隧道襯砌內(nèi)力變形結(jié)果

由圖2 可知，3 種工況條件下襯砌彎矩在整體上分布一致，單位長度上最大負彎矩都位于拱腰位置，最大正彎矩都位于拱頂部位，只是在內(nèi)力值上有一定差別。施工工況單位長度上最大負彎矩處于拱腰位置，為－70.8 kN·m，最大正彎矩位于拱頂位置，為51.0 kN·m。運營工況單位長度上最大負彎矩處于拱腰位置，為－95.8 kN·m，最大正彎矩位于拱頂位置，為49.4 kN·m。檢修工況條件下單位長度上最大負彎矩處于拱腰位置，為－98.7 kN·m，最大正彎矩位于拱頂位置，為50.2 kN·m;施工工況單位長度上最大軸力位于拱腰位置，為－645 kN，最小軸力位于拱頂位置，為587 kN。運營工況單位長度上最大軸力位于拱腰位置，為79.6 kN，最小軸力位于拱頂位置，為23.1 kN。檢修工況條件下單位長度上最大軸力位于拱腰位置，為270 kN，最小軸力位于拱頂位置，為212 kN。3 種工況第1 主應力分布趨勢整體相似，最大值一樣處于拱腰位置，最小值位于拱頂部位，但3 種工況在應力值上有所差別。施工工況第1應力最大值為10.1 MPa，最小軸力位于拱頂位置，為7.7 MPa。運營工況單位長度上最大軸力位于拱腰位置，為2.3 MPa，最小軸力位于拱頂位置，為0.07 MPa。檢修工況條件下單位長度上最大軸力位于拱腰位置，為5.1 MPa，最小軸力位于拱頂位置，為2.5 MPa。

圖2 M1 工況襯砌分析

軸力最大的工況為施工工況，但對應的彎矩卻處于最小值，這是由于法向施加于襯砌外表面的灌漿壓強會使襯砌軸向的內(nèi)力增加，但是會減少彎矩值，由于是法向施加于襯砌，雖然看上去軸力增加了，但是改善了襯砌內(nèi)力分布，使襯砌內(nèi)力分布更均勻，減少出現(xiàn)應力集中的情況，這通過工況彎矩及第1 主應力比檢修條件下要小并分布均勻，是由于施加了環(huán)法向內(nèi)部水壓力作用［2］。

3 結(jié) 論

1)通過對比分析施工工況、運營工況和檢修工況3 種條件下引水隧洞圍巖的豎向以及水平向位移變化、圍巖應力狀況得出，施工條件下圍巖的豎向位移和水平收斂值都是3 種工況中最大的，屬于最不利荷載組合;灌漿壓力和隧洞內(nèi)水壓力對圍巖水平收斂的影響要大于對豎直方向位移影響，注漿壓力的施加使圍巖應力的最大值增大，但使圍巖位移分布更均勻。

2)通過對比分析施工工況、運營工況和檢修工況3 種條件下引水隧洞襯砌的豎向以及水平向位移變化、內(nèi)力狀況得出，施工條件下襯砌的豎向位移和水平收斂值都是3 種工況中最大的，屬于最不利荷載組合;灌漿壓力和隧洞內(nèi)水壓力對圍巖水平收斂的影響要＞對豎直方向位移影響，注漿壓力的施加使襯砌軸力增加，但減小了彎矩，使襯砌內(nèi)力更均勻。

綜上，施工工況為最不利工況，應作為設計時荷載組合工況，并且該模型支護參數(shù)滿足施工要求，并未出現(xiàn)大變形情況，與傳統(tǒng)計算方法得到的結(jié)論相符。

［1］李浩，朱向陽，徐永福，等.斷面形狀對隧洞圍巖位移和應力的影響分析［J］.隧洞建設，2009(01):43－49.

［2］孫謀，劉維寧.隧洞涌水對圍巖特性影響分析［J］.2008(02):21－25.