富水區(qū)襯砌-圍巖接觸關(guān)系對外水壓力影響研究

姚右文　任旭華　張繼勛

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京　210098)

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富水區(qū)襯砌-圍巖接觸關(guān)系對外水壓力影響研究

姚右文任旭華張繼勛

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京210098)

摘要：結(jié)合某大型富水區(qū)深埋隧洞工程，基于ABAQUS采用有限元分析法，通過調(diào)整過渡層滲透系數(shù)模擬圍巖與隧洞之間的接觸緊密程度，計算襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性，并結(jié)合規(guī)范中的外水壓力折減系數(shù)法，提出合適的襯砌-圍巖折減系數(shù)．結(jié)果表明：在主要考慮外水壓力情況下通過調(diào)整過渡層單元的滲透系數(shù)來模擬襯砌與圍巖的接觸關(guān)系是合適的，圍巖與襯砌的接觸關(guān)系對于襯砌結(jié)構(gòu)的受力有顯著影響；當(dāng)過渡層滲透系數(shù)增大到某一范圍時，對襯砌受力影響逐漸變得不再敏感，此時基本處在襯砌與圍巖之間有滲水通道的狀態(tài)．當(dāng)滲水通道存在時，計算外水壓力時可以取折減系數(shù)在0.870左右．

關(guān)鍵詞：襯砌；圍巖；接觸；ABAQUS

處于富水區(qū)的深埋隧洞由于其延伸長，埋深大，外水壓力大等因素成為工程建設(shè)中的控制性工程．在西部大開發(fā)的水電工程中，深埋隧洞的高水壓、突(涌)水災(zāi)害則成為工程建設(shè)的主要水問題[1]．文獻[2]給出了在不同高外水壓力下，襯砌水壓力的折減系數(shù)．然而關(guān)于襯砌與圍巖之間的連接緊密程度對于襯砌外水壓力的影響，尚無深入研究．

1富水區(qū)襯砌受力特點

在水工隧洞中根據(jù)有無內(nèi)水壓力，將隧洞襯砌的計算分為內(nèi)壓和外壓控制型，并主要將水荷載計算成邊界力[3]．故在考慮外水壓力下設(shè)計襯砌時，須同時考慮內(nèi)水壓力和外水壓力．對于深埋隧洞，由于天然的地下水面線與隧洞軸線之間有很大的高差，從而形成相對較大的外水荷載．所以對于富水區(qū)隧洞而言，研究外水荷載對于襯砌結(jié)構(gòu)受力至關(guān)重要．但是根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[4]中的折減系數(shù)法計算外水壓力，只適合于埋深不大的隧洞．當(dāng)?shù)叵滤桓哂谒矶?0 m[5]，按現(xiàn)行方法對外水壓力進行計算，襯砌將被壓壞，但實際情況并非如此．目前計算外水壓力的方法通常有：外水壓力折減系數(shù)法、解析數(shù)值法、理論解析法、水文地球化學(xué)法和滲流分析法．

2模擬襯砌與圍巖連接程度的實現(xiàn)方法

文獻[3]指出在實際施工時，由于地下硐室的開挖所出現(xiàn)超挖、欠挖等作用，圍巖與隧洞支護之間會出現(xiàn)很多貫通和半貫通的空隙．故灌漿圈內(nèi)部分圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)在施工過程中也常常會出現(xiàn)二者連接不緊密的狀態(tài)，有時甚至?xí)谝r砌外緣形成一個滲水通道，對襯砌結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響．當(dāng)襯砌不直接承受圍巖壓力，地下水壓力直接作用在襯砌的外表面時，一般采用外水壓力系數(shù)法討論．

為了更好地分析襯砌結(jié)構(gòu)受力，保證工程建設(shè)的安全，充分考慮模擬兩者之間的連接密實度就具有現(xiàn)實的意義．本文結(jié)合規(guī)范中的外水壓力折減系數(shù)法，提出襯砌-圍巖折減系數(shù)法，在灌漿圈與襯砌之間設(shè)置一個過渡層，希望通過調(diào)整過渡層的滲透系數(shù)來模擬兩者的接觸關(guān)系，并計算襯砌-圍巖在不同連接狀態(tài)下的外水壓力折減系數(shù)．在理想的情況下，過渡層的滲透系數(shù)與灌漿圈一樣，當(dāng)滲透系數(shù)越大時，認為兩者之間的連接密實度越差．

3工程實例

3.1工程概況

某水電站利用雅礱江150 km長的大河彎，截彎取直，開挖隧洞集中水頭引水發(fā)電．引水隧洞全線埋深較大，一般埋深為1 500～2 000 m，最大埋深約達2 525 m．兩條輔助洞布置在引水隧洞南側(cè)，平行于引水隧洞，與隧洞間距65 m，輔助洞縱坡為自流排水的“人”字坡．根據(jù)《某水電站深埋引水隧洞運行期隧洞圍巖穩(wěn)定及襯砌結(jié)構(gòu)計算》課題所提供的數(shù)據(jù)，選取隧洞開挖完成后的近中期工況進行計算，具體參數(shù)見表1．

表1　計算斷面與材料力學(xué)參數(shù)

3.2模型及邊界條件

對隧洞群中的3號洞某典型斷面進行分析，襯砌厚度0.6 m，灌漿圈選擇8 m，設(shè)置過渡層厚1 m，具體布置見圖1．

圖1　引水隧洞結(jié)構(gòu)斷面概化圖

采用有限元數(shù)值分析軟件ABAQUS建模，三維模型采取笛卡爾坐標系，整體直角坐標系OXYZ，X軸垂直水流，Y軸沿水流方向，Z軸豎直向上；坐標原點選在模型左側(cè)邊界中部，計算范圍為100 m×100 m，遠遠大于5倍洞徑．模型中襯砌和過渡層剖分3層，有限元計算模型剖分詳見圖2．假定灌漿圈以及襯砌滲透系數(shù)在分析過程中保持不變，灌漿圈是巖體的部分，過渡層材料設(shè)置成巖體，襯砌材料設(shè)置成混凝土．巖體和混凝土的材料孔隙比均為0.003．

圖2　斷面3號洞段模型網(wǎng)格圖

在模型左右兩側(cè)面施加X方向的位移約束，前后兩面施加Y方向的位移約束，地面施加Z方向的位移約束；模型上表面施加總應(yīng)力邊界：(1 600-50)×0.002 72=4.216 MPa，上表面初始水頭113 m，底面初始水頭213 m，所以上、下表面的孔隙壓力邊界分別為1.13 MPa和2.13 MPa，左右兩側(cè)面默認為不透水邊界．此算例研究飽和巖體，圍巖體上、下邊界的初始水壓分別為1.13 MPa和2.13 MPa；圍巖、襯砌的初始孔隙比均設(shè)為0.003，初始地應(yīng)力(有效應(yīng)力)通過ABAQUS中的關(guān)鍵字定義初始地應(yīng)力輸入，該初始地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，側(cè)壓力系數(shù)為0.8．

3.3計算結(jié)果及分析

選取上述邊界條件和襯砌布置方式為典型工況，計算襯砌與灌漿圈理想接觸時襯砌應(yīng)力分布如圖3所示．

圖3　襯砌應(yīng)力分布圖(MPa)

在本文中襯砌當(dāng)作透水處理，由于外水壓力的作用，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱底外側(cè)，其值為1.04 MPa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳內(nèi)側(cè)，其值為13.20 MPa．

在上述典型工況計算的基礎(chǔ)上，調(diào)整過渡層滲透

系數(shù)，研究襯砌與圍巖之間的連接密實度對于襯砌受力的影響規(guī)律．

1)滲透系數(shù)與襯砌連接狀態(tài)分析

選取滲透系數(shù)從理想狀態(tài)下7.5×10-6cm/s逐次向上增大進行計算，襯砌受力規(guī)律見圖4～圖5，其具體計算結(jié)果見表2．

圖4　滲透系數(shù)與σ1關(guān)系曲線圖

圖5　滲透系數(shù)與σ3關(guān)系曲線

(單位：MPa)

由圖4～圖5可知過渡層的滲透系數(shù)逐漸增大，拉應(yīng)力逐漸增大，由理想狀態(tài)的1.039 MPa增加到1.086 MPa，增加了4.52%，與此同時壓應(yīng)力由11.45 MPa增加到13.04 MPa，改變了13.89%．繼續(xù)增大過渡層滲透系數(shù)時，其變化已經(jīng)對襯砌受力沒有多大影響，襯砌受力已經(jīng)趨近穩(wěn)定．

在過渡層滲透系數(shù)為1 m/s以上時，經(jīng)計算得出σ1為1.087 MPa，σ3為-13.04 MPa．說明當(dāng)滲透系數(shù)增大至某一范圍時，對于襯砌的受力影響很?。蓤D4～圖5可見，當(dāng)滲透系數(shù)達到7.5×10-4cm/s時，灌漿圈與襯砌的接觸已經(jīng)相當(dāng)弱．過渡層滲透系數(shù)增大到足夠大時，可以模擬在工程中由于施工問題襯砌和灌漿圈脫離，外水壓力直接作用在襯砌上的狀態(tài)．

2)襯砌-圍巖外水壓力折減系數(shù)

由表2可知，當(dāng)過渡層滲透系數(shù)增大到對襯砌受力不再敏感的范圍時，此時可認為襯砌與灌漿圈脫離，即灌漿圈已失效，其作用在襯砌上的水頭可等效于灌漿圈外部的水頭．一般外水壓力折減系數(shù)可定義為：

式中，β′為反應(yīng)襯砌-圍巖連接狀態(tài)的折減系數(shù)；H1為襯砌結(jié)構(gòu)表面地下水壓力；H2為灌漿圈外部地下水壓力．

由計算模型可知，灌漿圈水頭為1.779 MPa，故隨著過渡層滲透系數(shù)的增大，β′的變化見表3．

表3　滲透系數(shù)與β′的關(guān)系

由表3可知，當(dāng)襯砌與圍巖連接密實、接觸良好時外水壓力折減系數(shù)可取0.858，當(dāng)襯砌與圍巖連接不緊密，甚至在兩者之間存在滲漏通道時，其折減系數(shù)可取0.870．故在工程中如需計算襯砌外水壓力，可根據(jù)洞室施工及襯砌支護的現(xiàn)場情況對外水壓力進行折減，其折減系數(shù)參考范圍在0.858～0.870之間．

4結(jié)語

本文以某在建深埋隧洞為工程背景，重點分析襯砌與圍巖之間的連接密實度對于襯砌受力的影響規(guī)律，經(jīng)過計算與分析得到以下結(jié)論：

1)經(jīng)過以上分析，采用調(diào)整過渡層滲透系數(shù)來模擬襯砌與圍巖連接緊密程度對外水壓力的影響是有效的．不論何種工況，過渡層滲透系數(shù)對于壓應(yīng)力的影響大于對拉應(yīng)力的影響；隨著過渡層滲透性的增強，襯砌結(jié)構(gòu)受力越來越大，當(dāng)其滲透系數(shù)增大到某一范圍時，對襯砌受力影響逐漸變得不再敏感，此時基本處于在襯砌與圍巖之間有滲水通道的狀態(tài)．

2)一定情況下當(dāng)襯砌作用外水為全水頭時，最大拉應(yīng)力為1.04 MPa，但范圍極小，屬于典型的應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在拱底外側(cè)．大部分斷面的最大主拉應(yīng)力在0.41 MPa以內(nèi)，整個襯砌呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)受壓，外側(cè)受拉的趨勢．最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳內(nèi)側(cè)，其值為13.20 MPa．

3)經(jīng)過本文的定量分析，如實際工程中遇見和本文類似的大型富水區(qū)深埋隧洞工程，需計算襯砌外水壓力時，可以參考本文所采取的模擬方式和外水壓力折減建議值．本文經(jīng)過計算和分析后，建議外水壓力折減系數(shù)的參考范圍是0.858～0.870．當(dāng)襯砌與圍巖脫離達到一定程度時，建議β′取0.870；當(dāng)襯砌與圍巖聯(lián)合承載、連接緊密時，建議β′取0.858．

參考文獻：

[1]任旭華，陳祥榮，單治鋼．富水區(qū)深埋長隧洞工程中的主要水問題及對策[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(11)：1924-1929．

[2]王建宇．再談隧道襯砌水壓力[J]．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003，40(3)：5-10．

[3]王建秀，楊立中，何靜．深埋隧道襯砌水荷載計算的基本理論[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21(9)：1339-1343．

[4]SD 134-1984．水工隧洞設(shè)計規(guī)范[S]．北京：中國水利水電出版社，2003．

[5]張有天．巖石隧道襯砌外水壓力問題的討論[C]．中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會第三次大會論文集，1994：1-8．

[責(zé)任編輯王康平]

Analysis of Impact of Contact Relationship between Lining and Surrounding

Rock on External Water Pressure in Rich Water Areas

Yao YouwenRen XuhuaZhang Jixun

(College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractBase on one large deep tunnel project in rich water region, this paper uses finite element method on ABAQUS to simulate the contact relationship between surrounding rocks and tunnels by adjusting the coefficient of permeability transition layer and calculate the stress of the lining structure features. Meanwhile, this paper also suggests a possible value of β' based on the regulation. The results show that it is reasonable to simulate the contact relationship by adjusting the coefficient of permeability transition layer under the condition of main external water pressure. Plus, transition layer permeability coefficient has a significant influence on the compressive and tensile stresses; when the transition layer permeability increases to a certain extent, it gradually becomes no longer sensitive to the stress of lining, which means practical water seepage channels are appeared between the lining and surrounding rocks; 0.870 is the advisable value of β' when the practical water seepage is existed.

Keywordslining；surrounding rock；contact；ABAQUS

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51209078)

收稿日期：2015-07-15

中圖分類號：TV554

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2015)06-0052-04

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.011

通信作者：姚右文(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向為地下工程結(jié)構(gòu)．E-mail：1183443246@qq.com