高壓水工輸水隧洞結(jié)構(gòu)計算分析方法研究

【摘要】隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，大型的水利水電工程也越來越多，同時大洞徑和深埋深的高壓引水隧洞也逐漸增多。國內(nèi)外很多學者都非常關(guān)注高壓引水隧洞結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究，但是由于深埋高壓引水隧洞的環(huán)境比較復雜，工作機理也非常復雜，至今仍然存在很多沒有解決的問題。其中高壓水工輸水隧洞結(jié)構(gòu)的計算是一項比較重要的環(huán)節(jié)，本文主要對高壓水工輸水隧洞結(jié)構(gòu)計算方法進行了具體的分析，希望可以給相關(guān)工作人員提供參考。

【關(guān)鍵詞】高壓；引水隧洞；結(jié)構(gòu)計算方法

當前，高壓水工輸水隧洞結(jié)構(gòu)計算分析方法大體主要有三種，分別是結(jié)構(gòu)力學法、彈性力學法、以有限元為代表的數(shù)值計算方法。這三種方法都經(jīng)常應(yīng)用在隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計中，下面筆者進行一一介紹。

1、結(jié)構(gòu)力學法

傳統(tǒng)的角變位移法和邊值法實際上都屬于經(jīng)典的結(jié)構(gòu)力學方法。由于其理論簡單且易于掌握，為眾多設(shè)計單位所歡迎。DL/T5195—2004中，除了對圓形斷面在均勻水壓力作用下采用厚壁圓筒彈性力學法進行計算外，還為常用荷載下非圓形隧洞提供了經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學的邊值解法的微分方程與解法過程。但是，采用邊值法計算的鋼筋面積往往過大，且與水工隧洞實際工作狀態(tài)不相符。此外，用結(jié)構(gòu)力學方法算出的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布相差比較大，而用有限元方法求出的應(yīng)力狀況比較均勻。北京勘測設(shè)計研究院曾對下葦?shù)槌情T洞形有壓隧洞進行現(xiàn)場測試，得到拱頂與底腳應(yīng)力相差不大、隧洞的實際應(yīng)力分布要比結(jié)構(gòu)力學方法得出的結(jié)果均勻的結(jié)論?？傊Y(jié)構(gòu)力學方法適合桿件結(jié)構(gòu)，而深埋洞室結(jié)構(gòu)并不能隨意簡化為桿件結(jié)構(gòu)進行分析。

2、彈性力學法

彈性力學的研究對象應(yīng)該滿足必要的物理假設(shè)，其中包括：①均勻連續(xù)假設(shè)；②線性與完全彈性假設(shè)；③各向同性假設(shè)。彈性力學理論具有理論嚴謹、計算精確的顯著特點。然而，處于巖體內(nèi)的水工隧洞鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)由兩部分組成，即巖體（或稱圍巖）和鋼筋混凝土襯砌。巖體是各級結(jié)構(gòu)面切割的非均質(zhì)各向異性不連續(xù)的復合結(jié)構(gòu)體，巖石本身又是由各種不同含量的礦物質(zhì)所組成，其力學性態(tài)表現(xiàn)出很大的離散性與模糊性。總之，彈性力學方法能很好地應(yīng)用于簡單的彈性結(jié)構(gòu)，對研究高壓引水隧洞這樣結(jié)構(gòu)復雜及圍巖各向異性、不均勻性、彈塑性、流變等問題則很難處理。

3、有限元分析法

有限元方法目前已經(jīng)相當成熟，是使用最廣泛的一種數(shù)值分析方法，可以用來求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問題，是地下工程結(jié)構(gòu)分析中最常用的方法。DL/T5195—2004第11.3.1條中說到，“對于直徑（寬度）不小于10m的1級隧洞和高壓隧洞，宜采用有限元法計算”。

3.1 滲流-應(yīng)力耦合有限元法

滲流-應(yīng)力耦合有限元法，根據(jù)對耦合項處理方法的不同，可分為間接耦合和直接耦合兩種。間接耦合一般分別建立滲流場的連續(xù)性微分方程和結(jié)構(gòu)變形本構(gòu)關(guān)系的平衡微分方程，然后通過結(jié)構(gòu)體應(yīng)力對滲流場影響的經(jīng)驗公式建立兩者的聯(lián)系，通常采用以下公式：

k=k0e-ασ

式中，k為巖體滲透系數(shù)；k0為初始滲透系數(shù)；α為巖體材料特性和應(yīng)力狀態(tài)對滲透系數(shù)的綜合影響系數(shù)；σ為巖體的應(yīng)力狀態(tài)。直接耦合根據(jù)耦合模型涉及的所有物理變量，建立與各變量相應(yīng)的剛度矩陣、影響矩陣并形成總耦合矩陣，以及相應(yīng)的耦合荷載向量。滲流-應(yīng)力耦合有限元法，在耦合理論上又可分為多孔介質(zhì)耦合理論、裂隙介質(zhì)耦合理論，而裂隙介質(zhì)耦合理論又可分為單裂隙滲流、裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流應(yīng)力耦合理論。

Cook基于試驗研究認為，低應(yīng)力狀態(tài)下滲流與裂隙面的開度無關(guān)，但在高應(yīng)力下則關(guān)系密切。國裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流耦合理論包括等效連續(xù)介質(zhì)模型、雙重介質(zhì)模型、離散裂隙介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)模型3種。

3.2 考慮損傷的滲流-應(yīng)力耦合有限元法

滲流-應(yīng)力-損傷耦合模型是在上述模型基礎(chǔ)之上，引入介質(zhì)斷裂、損傷判斷準則，嵌入描述介質(zhì)破壞膨脹區(qū)的滲流-損傷耦合描述方程，來研究工程巖體的滲流-應(yīng)力-損傷耦合行為。有專家通過三軸壓縮和剪切試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨應(yīng)變的增大，滲透率的增加更明顯。國內(nèi)的一些專家建立了裂隙巖體滲流場與損傷場耦合分析模型。滲流-應(yīng)力-損傷耦合模型能夠較好地模擬工程結(jié)構(gòu)的復雜破壞機理，尤其在高壓引水隧洞內(nèi)水外滲和圍巖穩(wěn)定分析中能夠得到很好的應(yīng)用。

有限元數(shù)值模擬方法還存在以下一些問題：①研究對象是深埋地下的高壓隧洞和圍巖的整體，而地下巖體包含不同階次且隨機分布的孔隙、裂隙、節(jié)理等，它們既不是連續(xù)介質(zhì)也不是離散介質(zhì)，計算模型較難選取。②目前尚缺少能夠反映復雜環(huán)境下高壓水工隧洞工作機理的本構(gòu)模型。③地下巖體的地質(zhì)力學參數(shù)帶有很大的隨機性和模糊性，計算參數(shù)較難準確獲取。④數(shù)值計算結(jié)果與實際出入較大，有計算參數(shù)不準確的原因，但很多學者與工程人員發(fā)現(xiàn)，更與施工過程、施工方法有關(guān)，而后者卻未得到足夠重視。⑤現(xiàn)行水工隧洞設(shè)計規(guī)范中還缺少與有限元方法相匹配的安全控制標準。

4、結(jié)論

鑒于以上問題，筆者認為應(yīng)加強以下方面的研究探索：①模型的選取可以以巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計資料為依據(jù)，采用離散介質(zhì)方法建立典型裂隙網(wǎng)絡(luò)表征體，計算巖體的等效滲透張量，應(yīng)用等效連續(xù)介質(zhì)模型研究區(qū)域巖體滲流問題。②進一步加強能夠反映復雜環(huán)境下高壓引水隧洞襯砌開裂、高壓內(nèi)水外滲發(fā)生劈裂及襯砌開裂后鋼筋和混凝土相互作用的本構(gòu)模型的探索。③參數(shù)的選取可適時引入不確定性分析、回歸分析、反演分析等方法。④數(shù)值模擬中應(yīng)該對施工過程、支護及高壓固結(jié)灌漿等工況的模擬給予充分重視。⑤今后還要繼續(xù)研究理論，結(jié)合實際的工程現(xiàn)狀，不斷地規(guī)范水工隧洞設(shè)計，并建立起跟有限元方法更加匹配的安全控制標準，以推動高壓引水隧洞破壞機理的進一步研究，為高壓引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有益參考。

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