引水隧洞施工減震措施數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)

章 文

(江西省水利投資集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程背景

某水電站位于江西省贛江流域某河段，總庫容0.82億m3，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量15萬kw，多年平均發(fā)電量6.1億kW·h，效益約1.5億元。該工程發(fā)電引水系統(tǒng)的引水隧洞全長1800m，隧洞設(shè)計(jì)洞徑3.8m，隧洞縱坡1/500。該電站工程所處地區(qū)位于江西省北部地區(qū)，屬于江西省地震帶最為集中的地區(qū)之一。歷史上江西省北部和南部地區(qū)共發(fā)生多次5級(jí)以上破壞性地震，最近一次為1995年4月15日在贛北瑞昌、九江、德安等三縣交界處發(fā)生的4.9級(jí)地震，歷史最大震級(jí)為6級(jí)。由于該地區(qū)屬于地震災(zāi)害多發(fā)區(qū)，在今后仍有發(fā)生破壞性地震或受到破壞性地震影響的危險(xiǎn)，防震形勢(shì)嚴(yán)峻。基于此，在進(jìn)行引水隧洞建設(shè)時(shí)需要采取一定的減震措施。在綜合分析各種減震工程技術(shù)措施的優(yōu)劣之后，該引水隧洞工程確定采取減震層設(shè)計(jì)方案，也就是在隧洞襯砌結(jié)構(gòu)和外部圍巖之間設(shè)置減震層，通過減震層將襯砌和圍巖分開，達(dá)到隧洞減震的目標(biāo)。本次研究主要通過數(shù)值模擬的方式，對(duì)減震層的材料和厚度設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化研究，以獲得最佳減震層設(shè)計(jì)方案。

2 ANSYS有限元模型

2.1 模型構(gòu)建

圖1 隧洞設(shè)計(jì)斷面示意圖

本次研究使用大型商用ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建。根據(jù)某電站引水隧洞的設(shè)計(jì)資料，研究斷面的示意圖如圖1所示。研究中采取八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元Solid65和Solid45來建立三維結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，利用Combin14 彈簧-阻尼器單元建立不同材料之間的相互作用，利用FLUID29 單元模擬引水隧洞中的內(nèi)水，襯砌與內(nèi)水之間的連接界面設(shè)置為流固耦合界面[1- 4]。模型劃分為2337個(gè)計(jì)算單元，2456個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，計(jì)算斷面的網(wǎng)格剖分示意圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算斷面網(wǎng)格剖分示意圖

2.2 邊界條件與計(jì)算參數(shù)

地震波在隧洞圍巖巖體中的傳播從理論上講是一個(gè)無限介質(zhì)的問題，但是有限元計(jì)算模型不可能取無限大的空間，因此引入人工邊界[5]。許多學(xué)者提出了多種不同的邊界處理方法。本次研究中以這些研究成果為參考，在模型計(jì)算中考慮豎向地震荷載時(shí)，模型的兩側(cè)采用水平約束，底面采用豎向約束；在考慮水平地震荷載時(shí)，模型的兩側(cè)采用豎向約束，淺埋的頂面為自由邊界，網(wǎng)格的底部為豎向約束[6- 9]。研究中以地質(zhì)調(diào)查資料和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)確定模型的計(jì)算參數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 計(jì)算模型的物理力學(xué)參數(shù)

2.3 地震波選取

進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析，需要直接輸入地震波的加速度時(shí)程曲線[10]。由于研究區(qū)的地震資料比較缺乏，研究中選取發(fā)生于1940年5月18日的美國帝國谷EL-Centro地震的加速度記錄作為輸入的地震荷載。該地震波記錄時(shí)長為12s，最大加速度發(fā)生在2.132s，該地震波的加速度時(shí)程曲線如圖3所示。很據(jù)相關(guān)研究成果，地震發(fā)生后的前5s地震響應(yīng)最大，因此研究中取前5s的地震波加速度時(shí)程曲線作為數(shù)據(jù)輸入計(jì)算模型。

圖3 EL-Centro地震波水平向加速度時(shí)程曲線

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 減震層材料選擇

考慮某電站引水隧洞的工程實(shí)際，擬采用泡沫混凝土或水泥漿注漿兩種不同的減震層材料。研究中利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)未設(shè)置減震層以及設(shè)置層厚30cm的泡沫混凝土和注漿減震層在地震荷載條件下的引水隧洞位移和位移加速度的影響進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見表2。由表中的計(jì)算結(jié)果可知，3種不同工況下引水隧洞各部位的位移和位移加速度的值比較接近，變化量極為有限，說明減震層對(duì)引水隧洞的位移和位移加速度的影響極為有限。

表2 不同減震措施下隧洞主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

對(duì)上述條件下的引水隧洞主應(yīng)力的影響進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見表3。由表格中的數(shù)據(jù)可以看出：設(shè)置減震層后，引水隧洞各部位的第一和第三主應(yīng)力值均有明顯減小，說明設(shè)置減震層對(duì)提高引水隧洞的抗震性能具有比較顯著的作用。從設(shè)置泡沫混凝土和注漿層兩種不同的減震層材料對(duì)比看，采用注漿層時(shí)引水隧洞各個(gè)監(jiān)測(cè)部位的主應(yīng)力值減小幅度更大。以拱腰為例，相對(duì)于未設(shè)置減震層，采用泡沫混凝土減震層時(shí)，第一主應(yīng)力由1.535減小到1.348，減小了12.18%；第三主應(yīng)力由-1.705減小到-1.491，減小了12.20；采用注漿減震層時(shí)，第一主應(yīng)力由1.535減小到1.293，減小了15.77%；第三主應(yīng)力由-1.705減小到-1.432，減小了16.01%。由此可見，采用注漿減震層可以獲得更好地防震效果，因此，建議在工程設(shè)計(jì)和施工中采用注漿減震層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表3 不同減震措施下隧洞主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.2 減震層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上節(jié)的計(jì)算成果，不同減震層設(shè)計(jì)的引水隧洞地震響應(yīng)在拱腰部位表現(xiàn)最為顯著。為了進(jìn)一步獲取最佳減震層厚度，研究中結(jié)合已有的研究成果[11]，對(duì)厚度分別為30、40、50cm的注漿減震層引水隧洞拱腰部位位移、加速度、第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的峰值進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果見表4。

由表4中的計(jì)算成果可知，隨著減震層厚度的增加，引水隧洞拱腰部位的位移呈現(xiàn)出先增大后減小的特點(diǎn)，但是變化量均在1%以內(nèi)，說明減震層的厚度對(duì)引水隧洞位移的影響極為有限；隨著減震層厚度的增加，引水隧洞拱腰部位的位移加速度呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，從而使隧洞結(jié)構(gòu)在地震過程中受到的慣性力逐漸增大。由此可見，從位移加速度的角度來看，增大減震層厚度不利于隧洞抗震性能的改善。從隧洞應(yīng)力變化來看，隨著減震層厚度的增加，引水隧洞腰部受到的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力均呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，但是厚度從40cm增加到50cm時(shí)減小的幅度極為有限。例如，相對(duì)于厚度為30cm的減震層，當(dāng)減震層厚度為40cm時(shí)第一主應(yīng)力減小12.81%，當(dāng)減震層厚度為50cm時(shí)第一主應(yīng)力減小13.04%。由此可見，從主應(yīng)力的視角來看，增加減震層的厚度有助于改善引水隧洞的抗震性能，但是在厚度超過40cm的情況下，改善效果極為有限。綜合上述，減震層的厚度并不是越大越好，對(duì)某電站引水隧洞的注漿減震層設(shè)計(jì)而言，最佳厚度為40cm。

表4 不同減震層厚度條件下引水隧洞拱腰地震響應(yīng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

設(shè)置減震層是引水隧洞施工建設(shè)中的常用減震工程措施。本次研究以某電站引水隧洞為例，利用有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)減震層的材料和厚度進(jìn)行優(yōu)化研究，并獲得如下主要結(jié)論：

(1)對(duì)未設(shè)置減震層以及設(shè)置層厚30cm的泡沫混凝土和注漿減震層在地震荷載條件下的引水隧洞位移、位移加速度和主應(yīng)力值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示采用注漿減震層可以獲得更好地防震效果，建議在工程設(shè)計(jì)和施工中采用注漿減震層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2)減震層的厚度并不是越大越好，對(duì)某電站引水隧洞的注漿減震層設(shè)計(jì)而言，最佳厚度為40cm。

(3)綜合本文研究成果，建議某電站引水隧洞施工建設(shè)中采用厚度為40cm的注漿減震層，以獲得最佳減震效果。