梁艷秋
(黑龍江省水電局,哈爾濱150040)
引水隧洞支護(hù)計(jì)算需要考慮圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用,所選用的材料一般都是非線性的二維與三維問(wèn)題。
一般有限元軟件處理大變形問(wèn)題時(shí),計(jì)算量非常大,效率低且對(duì)計(jì)算機(jī)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(lái)計(jì)算場(chǎng)的控制微分方程,對(duì)塑性流動(dòng)、大變形問(wèn)題、屈服問(wèn)題等有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),模擬巖土這種特殊材料的力學(xué)問(wèn)題,可以得到理想的結(jié)果。
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?yàn)?3°,長(zhǎng)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(duì)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(jì)算的結(jié)果的可信度及與工程實(shí)際的符合程度很大一部分取決于數(shù)值模型是否對(duì)工程進(jìn)行正確的抽象描述。本模型數(shù)值分析分為運(yùn)營(yíng)期、檢修期和施工期3 種條件下工況,將整個(gè)材料視為均質(zhì)的巖體。根據(jù)隧道的工程概況和相關(guān)材料建立的基本數(shù)值模型,模型隧洞為圓形,開(kāi)挖半徑為4.1m,水平向跨度為50m,沿開(kāi)挖向長(zhǎng)度為1 個(gè)單位長(zhǎng)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(jìn)行豎向約束,另外四個(gè)側(cè)面為法向約束邊界。
圍巖采用三維實(shí)體單元,襯砌采用shell 單元,計(jì)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(jì)算時(shí)對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力不進(jìn)行考慮,僅考慮巖體自重應(yīng)力與水壓力影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料,圍巖的參數(shù)為V 級(jí)圍巖[1]。
3 種工況均采用Mohr—Coulomb 模型進(jìn)行計(jì)算,所涉及的巖土體物理力學(xué)參數(shù)具體如表1。
表1 引水隧道計(jì)算力學(xué)參數(shù)
對(duì)于隧洞不同時(shí)期進(jìn)行了3 種工況的模擬,考慮結(jié)果的可比性,3 種工況計(jì)算流程完全相同,通過(guò)計(jì)算,對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比,掌握隧洞各個(gè)時(shí)期受力和位移特點(diǎn),見(jiàn)表2。
表2 引水隧洞計(jì)算的3 種工況
隧道開(kāi)挖完成后,圍巖向開(kāi)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(duì)比各個(gè)時(shí)期不同條件下隧洞的位移應(yīng)力情況,3 種工況模型采用相同開(kāi)挖步驟和相同支護(hù)形式。由于篇幅所限,僅附M1 工況下云圖,M2 與M3省略,見(jiàn)圖1 所示。
表3 3 種工況荷載下排水圍巖位移應(yīng)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(yùn)營(yíng)工況,運(yùn)營(yíng)期間隧洞內(nèi)內(nèi)水壓力對(duì)外部的圍巖豎向壓力有1 個(gè)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(qiáng)對(duì)水平位移影響要弱于施工期注漿壓強(qiáng)影響,但注漿壓強(qiáng)是暫時(shí)的,在完成凝結(jié)和對(duì)圍巖擠密作用后會(huì)對(duì)整個(gè)體系起到加固作用,而內(nèi)水壓強(qiáng)是持久性的。
3 種工況條件下圍巖的應(yīng)力分布基本一致,不同工況條件對(duì)圍巖應(yīng)力的影響要小于對(duì)位移的影響,應(yīng)力重分布區(qū)域集中于隧洞周?chē)?,?duì)于該工程背景下的隧洞來(lái)說(shuō)應(yīng)力重分布區(qū)域集中在隧洞周?chē)?m范圍內(nèi)??梢钥闯?,施工工況條件下隧洞應(yīng)以重分布影響范圍要大于運(yùn)營(yíng)工況和檢修工況條件。3 種工況的豎向應(yīng)力重分布后隧洞周?chē)鷳?yīng)力處于0.2 ~0.4 MPa是與分層應(yīng)力差別較大應(yīng)力范圍,從圖1 來(lái)看洞周應(yīng)力值和范圍越小,分層越不明顯,應(yīng)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(shì)造成。隧洞周?chē)┕すr條件下水平應(yīng)力(X 向)、最大主應(yīng)力(Smax)、最小主應(yīng)力(Smin)低于同水平層底層應(yīng)力一個(gè)分層,進(jìn)一步說(shuō)明該工況應(yīng)力重分布范圍和程度大于其他兩種工況。
支護(hù)設(shè)施是隧道開(kāi)挖后對(duì)圍巖的支撐結(jié)構(gòu)和加固措施,是不能達(dá)到自穩(wěn)的巖體在開(kāi)挖后,圍巖系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的根本原因,所以支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀況是評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。
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(zhǎng)度上最大負(fù)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(zhǎng)度上最大負(fù)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(yùn)營(yíng)工況單位長(zhǎng)度上最大負(fù)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(zhǎng)度上最大負(fù)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(zhǎng)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(yùn)營(yíng)工況單位長(zhǎng)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(zhǎng)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(yīng)力分布趨勢(shì)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(yīng)力值上有所差別。施工工況第1應(yīng)力最大值為10.1 MPa,最小軸力位于拱頂位置,為7.7 MPa。運(yùn)營(yíng)工況單位長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)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(qiáng)會(huì)使襯砌軸向的內(nèi)力增加,但是會(huì)減少?gòu)澗刂担捎谑欠ㄏ蚴┘佑谝r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(yīng)力集中的情況,這通過(guò)工況彎矩及第1 主應(yīng)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]。
1)通過(guò)對(duì)比分析施工工況、運(yùn)營(yíng)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(yīng)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(duì)圍巖水平收斂的影響要大于對(duì)豎直方向位移影響,注漿壓力的施加使圍巖應(yīng)力的最大值增大,但使圍巖位移分布更均勻。
2)通過(guò)對(duì)比分析施工工況、運(yùn)營(yíng)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(duì)圍巖水平收斂的影響要>對(duì)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(yīng)作為設(shè)計(jì)時(shí)荷載組合工況,并且該模型支護(hù)參數(shù)滿足施工要求,并未出現(xiàn)大變形情況,與傳統(tǒng)計(jì)算方法得到的結(jié)論相符。
[1]李浩,朱向陽(yáng),徐永福,等.斷面形狀對(duì)隧洞圍巖位移和應(yīng)力的影響分析[J].隧洞建設(shè),2009(01):43-49.
[2]孫謀,劉維寧.隧洞涌水對(duì)圍巖特性影響分析[J].2008(02):21-25.