岔洞圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)受力特性離散元數(shù)值計(jì)算分析

錢軍剛

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

水利水電工程中，輸水岔洞部分的圍巖穩(wěn)定關(guān)系到整個(gè)水利工程的安全性及正常使用狀況。一般情況下，針對(duì)地下隧洞襯砌可采用傳統(tǒng)力學(xué)方法進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。然而，岔洞空腔體型隨軸向變化，其邊界條件較為復(fù)雜，若采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法，二維計(jì)算將岔洞簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題，忽略了岔洞的軸向作用，計(jì)算精度無(wú)法確定。因此，采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行岔洞穩(wěn)定性計(jì)算是解決該問(wèn)題的重要途徑。

國(guó)內(nèi)有學(xué)者曾做了研究：郭海慶等應(yīng)用彈塑性有限元法，對(duì)岔洞圍巖開挖后圍巖應(yīng)力、位移及塑性屈服范圍做了計(jì)算，為岔管施工、支護(hù)提出了工程建議。林鵬等運(yùn)用FLAC3D有限元軟件，依托于官地水電站，計(jì)算出了尾水岔洞圍巖的應(yīng)力、變形及塑性屈服區(qū)，分析了襯砌及錨桿的受力狀態(tài)，評(píng)價(jià)了噴錨支護(hù)措施的效果，為岔洞穩(wěn)定提出了相應(yīng)的措施。貊祖國(guó)采用有限元軟件計(jì)算分析了岔管圍巖受力特性，為相關(guān)設(shè)計(jì)施工提出了建議和指導(dǎo)。劉先珊等依托于烏江渡水電站擴(kuò)機(jī)工程，運(yùn)用ANSYS有限元軟件，對(duì)三維尾水隧洞進(jìn)行了彈塑性計(jì)算，重點(diǎn)研究了不同應(yīng)力釋放比例條件下的支護(hù)方案，為尾水岔洞的計(jì)算分析指出了發(fā)展方向。

以上學(xué)者在岔洞分析方面做了值得肯定的研究，其研究成果對(duì)岔洞工程的設(shè)計(jì)具有重要意義。但基于離散元發(fā)方法的岔洞分析較為缺乏，岔洞部分圍巖特性分析仍需深入。因此，本文基于新疆某水利樞紐，采用離散元數(shù)值模擬軟件，計(jì)算分析岔洞圍巖及襯砌的受力特性及穩(wěn)定性，為工程設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)。

2 模型建立

2.1 工程概況

新疆某水電站擬采用地下廠房形式，各機(jī)組發(fā)電尾水由支洞匯流于尾水主洞。發(fā)電尾水洞采用城門洞型斷面，匯流岔洞形式采用“卜”形。尾水洞埋深150.0m，岔洞區(qū)圍巖類別為Ⅲ類，尾水主洞與支洞夾角為48.0°，尾水主洞、支洞開挖尺寸及支護(hù)尺寸如圖1所示，襯砌混凝土采用C30。

圖1 結(jié)構(gòu)尺寸示意圖(單位：mm)

2.2 離散元數(shù)值模型

根據(jù)解析理論，建立邊長(zhǎng)為100.0m的立方體模型可滿足計(jì)算精度，具體幾何特征如圖2(a)所示。采用離散元軟件為模型劃分網(wǎng)格，共計(jì)227058個(gè)單元，如圖2(b)所示。

圖2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

3 材料參數(shù)及邊界條件選取

為精確計(jì)算和描述岔洞圍巖的受力特性和穩(wěn)定特性，本文采取彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析。巖體材料選取Mohr-Cuolomb模型，重點(diǎn)考慮巖體的剪切破壞。

數(shù)值計(jì)算中，物理力學(xué)參數(shù)的選取常常影響到計(jì)算的準(zhǔn)確性，因而，選取適當(dāng)?shù)膰鷰r及襯砌參數(shù)是分析岔管圍巖、襯砌穩(wěn)定性及受力特性的根本保證。為此，基于現(xiàn)場(chǎng)采集巖樣，圍巖試驗(yàn)測(cè)定。由室內(nèi)巖塊試驗(yàn)得出圍巖力學(xué)參數(shù)的建議取值范圍，進(jìn)一步得出結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)，見表1。

模型四周采用固定速度邊界，底面采用垂直向固定速度邊界，上表面施加應(yīng)力邊界。

表1 圍巖及襯砌力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果及分析

運(yùn)用離散元數(shù)值模擬軟件，巖體材料選取Mohr-Cuolomb模型，對(duì)所建立的模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡-開挖-襯砌數(shù)值計(jì)算，以得到岔洞圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)，進(jìn)而分析其穩(wěn)定性及受力特性。本文根據(jù)尾水洞岔管結(jié)構(gòu)的幾何特性，分析岔管3個(gè)具代表性的典型斷面計(jì)算結(jié)果。其中，1#斷面為岔洞分叉處；2#斷面為距分差處4.0m；3#斷面為距分差處7.0m。

4.1 圍巖應(yīng)力場(chǎng)分析

經(jīng)離散元數(shù)值軟件模擬計(jì)算，得出圍巖應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)。限于篇幅，分析3個(gè)具代表性的典型斷面處圍巖的應(yīng)力、位移云圖，以反映三維岔管結(jié)構(gòu)的真實(shí)力學(xué)特性。如圖3所示。

從圖3(a)可以看出：洞周巖體應(yīng)力水平較高，底邊及頂拱處均出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力區(qū)，尤其是主洞與岔洞交界處，出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。從圖3(b)可以看出：圍巖腰拱處最小主應(yīng)力較大。最小主應(yīng)力最大值位于3#斷面支洞腰拱一定深度處，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最值為6.5MPa。圖3(c)為圍巖位移云圖，由圖3(c)可知，隧洞底板以及拱頂位移較大，與拉應(yīng)力分布一致。經(jīng)分析，在地應(yīng)力作用下，岔管頂拱的拱效應(yīng)使得該部位圍巖受拉；中部圍巖開挖后，在應(yīng)力重分布的作用下，底板向上隆起，產(chǎn)生局部拉應(yīng)力。

4.2 圍巖塑性區(qū)分析

圖4給出了典型斷面處圍巖塑性區(qū)分布情況。

從塑性云圖中可以看出，岔洞圍巖在一定應(yīng)力水平作用下進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)。岔洞圍巖腰拱處塑性區(qū)較為發(fā)育，且主洞拱底處出現(xiàn)拉漲破壞。圍巖腰拱部位圍巖可能出現(xiàn)開裂、掉塊現(xiàn)象。從水平截面看出，岔洞口分岔部位圍巖塑性破壞深度較大。整個(gè)尖角部位均可能出現(xiàn)圍巖塌落現(xiàn)象。

4.3 襯砌應(yīng)力場(chǎng)分析

圖5、圖6給出了3#典型斷面處拉應(yīng)力、位移分布情況。

由圖5—6可以看出，襯砌結(jié)構(gòu)在受到圍巖作用后，產(chǎn)生一定的應(yīng)力水平及位移量。根據(jù)襯砌拉應(yīng)力云圖可以看出，襯砌結(jié)構(gòu)在底部圍巖的隆起作用下，襯砌結(jié)構(gòu)底板以及側(cè)墻處受拉應(yīng)力。通過(guò)襯砌結(jié)構(gòu)位移矢量云圖可以看出，3#斷面內(nèi)主洞腰拱處位移最大，方向斜向內(nèi)部。

5 討論

本文依托于新疆某水利樞紐工程，采用離散元數(shù)值模擬方法，基于Mohr-Cuolomb彈塑性本構(gòu)模型，對(duì)地下廠房尾水洞岔管進(jìn)行了計(jì)算分析，針對(duì)計(jì)算所得圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、塑性特征進(jìn)行討論分析。

根據(jù)圍巖應(yīng)力云圖可知，圍巖壓應(yīng)力最值位于巖體內(nèi)部，從應(yīng)力數(shù)值上可以反映出洞壁腰拱處圍巖出現(xiàn)屈服應(yīng)力釋放現(xiàn)象，圍巖發(fā)生破壞。同時(shí)，頂拱處拉應(yīng)力集中，拉應(yīng)力值約為0.50MPa，因此，實(shí)際工程開挖過(guò)程中，應(yīng)警惕頂拱處拉裂破壞，造成圍巖掉塊，致使施工期存在安全隱患。為此，岔洞圍巖開挖后宜及時(shí)進(jìn)行錨桿掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭露地質(zhì)特性，必要時(shí)，采用錨桿鋼拱架掛網(wǎng)噴層支護(hù)，以保證圍巖穩(wěn)定。

圖3 不同斷面處圍巖應(yīng)力分布情況及位移云圖

圖4 不同斷面處圍巖塑性區(qū)云圖

圖5 襯砌結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖6 襯砌結(jié)構(gòu)位移矢量云圖(單位：m)

根據(jù)圍巖塑性區(qū)分布云圖反應(yīng)特征，岔管圍巖腰拱處出現(xiàn)一定程度度塑性，岔洞圍巖尖角部位塑性區(qū)較大。因此，為防止圍巖塑性破壞產(chǎn)生局部破損塌落，隧洞開挖后宜及時(shí)采用噴錨支護(hù)，尖角處宜采取優(yōu)化設(shè)計(jì)體型的工程措施，以保證圍巖穩(wěn)定、減小因塌落造成的經(jīng)濟(jì)損失。

根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)受力特性可以得出，襯砌結(jié)構(gòu)于拉應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)配筋，以抵抗圍巖的變形，保證圍巖穩(wěn)定。

6 結(jié)論

采用離散元數(shù)值模擬方法，基于Mohr-Cuolomb彈塑性本構(gòu)模型，對(duì)地下廠房尾水洞岔管進(jìn)行了計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：

(1)岔洞圍巖腰拱、尖角部位塑性區(qū)較大，開挖后宜采取及時(shí)掛網(wǎng)噴錨支護(hù)。

(2)針對(duì)圍巖塑性區(qū)分布情況，設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)化岔管體型，避免尖角。