引水隧道內(nèi)水壓力對隧洞襯砌穩(wěn)定性影響

李國玉

(臨沂市水利局，山東 臨沂 276000)

0 引 言

近年來，隨著水電工程的蓬勃發(fā)展，大量水工隧道建設(shè)出現(xiàn)在高山峽谷地帶。由于在該地質(zhì)環(huán)境下隧道埋深大、承受內(nèi)外水壓大，這對隧道的施工以及結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了新的要求。針對水工隧道襯砌問題，已有大量學(xué)者對此展開相關(guān)研究。Pan[1]基于開爾文模型和麥克斯韋模型，對圍巖-襯砌間的相互作用進行研究分析，獲得襯砌剛度的變化規(guī)律。Galli[2]等通過數(shù)值分析方法，研究分析了隧洞掘進過程中圍巖與襯砌間的相互作用。趙子龍[3]等采用現(xiàn)場試驗的方法對襯砌的圍巖壓力進行研究分析發(fā)現(xiàn)，其壓力分布規(guī)律是根據(jù)襯砌剛度分配的。姚俊峰[4]利用有限元數(shù)值分析軟件，建立了隧道模型，研究分析在不同工況下隧道襯砌的水壓力分布。高新強[5]通過ABAQUS有限元模擬軟件建立模型，改變水壓力來研究襯砌與圍巖的變化規(guī)律。王志杰[6]針對不同的注漿參數(shù)，通過等效方法對隧道襯砌的穩(wěn)定性進行了研究分析。Arjnoi[7]與Nam[8]通過數(shù)值模擬方法和理論推導(dǎo)，建立數(shù)值模型，深入分析內(nèi)外水壓力與襯砌-圍巖相互作用間的影響關(guān)系。崔戈[9]從實地監(jiān)測、數(shù)值模擬以及模型試驗等多方面，綜合考慮隧道中溶洞位置、溶洞規(guī)模和內(nèi)外水壓等因素，研究分析了不同工況下隧道襯砌的結(jié)構(gòu)特性和穩(wěn)定性。

綜合上述研究，本文結(jié)合某實際工程項目，利用ABAQUS有限元數(shù)值分析軟件，建立隧道襯砌模型，考慮襯砌管片間的相互作用，研究分析引水隧道內(nèi)水壓力對隧洞襯砌穩(wěn)定性影響。

1 工程概況

本研究結(jié)合某地區(qū)供水工程隧道，其隧洞全長30 km，隧洞開挖完成后，進行回填豆礫石和C50襯砌管片施工作業(yè)。本研究視施工后的材料強度已基本穩(wěn)定，并且約有為200 m的水頭施加在襯砌內(nèi)表面，其圍巖材料特性和其他材料參數(shù)見表1和表2。

表1 圍巖材料參數(shù)

表2 襯砌材料參數(shù)

2 模型建立

為了研究內(nèi)水壓作用下隧道襯砌穩(wěn)定性的變化規(guī)律，本研究選取隧道中某一標(biāo)準(zhǔn)段三環(huán)作為研究對象，采用ABAQUS有限元軟件建立模型(圖1中，CQ-1、CQ-2和CQ-3為三環(huán)管片襯砌，J1-J6為接縫處，A-F為管片)，其中襯砌、豆礫石設(shè)為線彈性材料，而螺栓、圍巖分別設(shè)為理想線彈性材料和彈塑性材料，螺栓采用桿單元進行模擬，其余材料均采用八節(jié)點等參單元。本研究施加的內(nèi)水壓力作用在襯砌管片的內(nèi)表面，見圖2。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)洞模型圖

圖2 內(nèi)水壓力作用在襯砌內(nèi)表面示意圖

3 模擬結(jié)果分析

3.1 管片變形與應(yīng)力分析

由圖3可知，在內(nèi)水壓力作用下，整體上管片變形呈現(xiàn)出由上至下逐步遞減的趨勢。徑向上的管片由于受到內(nèi)水壓力的作用導(dǎo)致向外部產(chǎn)生變形，其中可以明顯發(fā)現(xiàn)其頂部變形顯著，達到0.732 mm。而變形最小的是底部管片兩側(cè)的接縫處，其值約為0.466 mm。

圖3 管片徑向位移圖

由圖4可知，整體上管片承受壓應(yīng)力為主，其徑向應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象主要發(fā)生在接縫處，其最大壓應(yīng)力值約-3.62 MPa，見圖4(a)。

圖4 管片應(yīng)力分布圖

隨著管片逐步向外部產(chǎn)生變形，其環(huán)向應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，管片中部應(yīng)力集中，分布對稱，管片中部應(yīng)力較大，兩側(cè)較為均勻，其中拉應(yīng)力最大可達2.52 MPa(已超過混凝土抗拉強度1.89 MPa)，位于管片底部。根據(jù)圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，襯砌外側(cè)拉應(yīng)力要小于內(nèi)側(cè)，進而取其CQ-2環(huán)中部為觀察點，以內(nèi)表面環(huán)向路徑的頂部作為起點，旋轉(zhuǎn)一周達到終點，并將其環(huán)向應(yīng)力呈現(xiàn)為圖5。其中，由于襯砌底部存在凹槽，導(dǎo)致出現(xiàn)圖中紅色框的部分，該部分與其他管片相比差異較大，忽略該部分影響可以發(fā)現(xiàn)，各個管片的環(huán)向應(yīng)力均呈現(xiàn)出頂部最小并逐漸向中部增大，其最值可達1.41 MPa。

圖5 環(huán)向路徑環(huán)向應(yīng)力圖

由圖6和圖7可知，管片襯砌受到內(nèi)水壓力的作用，位于管片底部的凹槽，其拉應(yīng)力最大可達2.52 MPa(大于混凝土的抗拉強度1.89 MPa)，存在開裂的可能性，而管片的最大壓應(yīng)力為-3.66 MPa(小于混凝土的抗壓強度23.2 MPa)。

圖6 管片襯砌第一主應(yīng)力圖

圖7 管片襯砌第三主應(yīng)力圖

根據(jù)上述位移和應(yīng)力圖可知，管片襯砌受到內(nèi)水壓力的作用導(dǎo)致向外變形，而該作用是由襯砌和圍巖共同承擔(dān)的，探究襯砌和圍巖的承載比可以進一步說明內(nèi)水壓作用對襯砌管片穩(wěn)定性的影響。因此，本研究分別以襯砌頂部和底部作為觀察點，提取其應(yīng)力數(shù)據(jù)，見表3。通過計算獲得在內(nèi)水壓力作用下襯砌與圍巖的承載比分布在3.8%～5.8%，這也表征了圍巖是承擔(dān)內(nèi)水壓力的主要對象，而襯砌管片分擔(dān)相對較小。

表3 管片襯砌環(huán)向應(yīng)力與承載比分析

3.2 接縫開度與環(huán)向螺栓應(yīng)力

考慮到襯砌模型兩端位移邊界的影響，本研究選擇CQ-2環(huán)作為研究對象，分析環(huán)上各處接縫的開度以及環(huán)向螺栓應(yīng)力分布，其接縫和環(huán)向螺栓示意圖見圖8。接縫開度變化情況見表4和圖9。

圖8 CQ-2環(huán)的接縫和環(huán)向螺栓示意圖

表4 CQ-2環(huán)接縫平均開度隨水頭變化情況

圖9 接縫平均開度隨內(nèi)水水頭變化曲線

由圖8和表4可以發(fā)現(xiàn)，隨著水頭的增大，CQ-2環(huán)的接縫平均開度也在不斷增大。當(dāng)水頭達到100 m時，其接縫總平均開度達到0.267 mm；當(dāng)水頭達到200 m時，其接縫總平均開度達到0.525 mm。值得注意的是，通過對比發(fā)現(xiàn)，J1、J2和J3分別與J6、J5和J4的接縫平均開度基本對應(yīng)相等。整體上，在同一水頭下接縫平均開度變化規(guī)律表現(xiàn)出J3=J4>J2=J5>J1=J6。將其繪成隨內(nèi)水壓力變化的接縫平均開度變化曲線(圖9)可以發(fā)現(xiàn)，在同一水頭下，水頭與接縫開度呈線性關(guān)系，且各接縫開度平均值差異較小，見圖10。

圖10 襯砌CQ-2環(huán)接縫開度(單位：mm)

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，整體上接縫開度變化不盡相同。沿縱軸向襯砌由頂部至底部接縫開度呈不均勻分布規(guī)律，在靠近襯砌內(nèi)側(cè)的接縫開度較小，而靠近襯砌外側(cè)的接縫開度較大，但兩者相差較小，約為0.48～0.59 mm。

由于環(huán)向螺栓對接縫開度具有一定的控制作用，結(jié)合CQ-2環(huán)向螺栓應(yīng)力情況(表5)發(fā)現(xiàn)，隨著襯砌接縫開度的增大，同一接縫處環(huán)向螺栓的拉應(yīng)力也隨之增大。其中，J3和J4處環(huán)向螺栓應(yīng)力值最大，約為266.441 MPa；而J1和J6處環(huán)向螺栓應(yīng)力最小，約為224.600 MPa。

表5 CQ-2環(huán)向螺栓應(yīng)力情況表

4 結(jié) 論

通過ABAQUS數(shù)值模擬軟件建立模型，研究分析引水隧道內(nèi)水壓力對隧洞襯砌穩(wěn)定性的影響，主要結(jié)論如下：

1)在內(nèi)水壓力作用下，整體上管片變形呈現(xiàn)出由上至下逐步遞減的趨勢，其頂部變形顯著，底部管片兩側(cè)的接縫處變形最小。

2)整體上管片承受壓應(yīng)力為主，其徑向應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象主要發(fā)生在接縫處。隨著管片逐步向外部產(chǎn)生變形，其環(huán)向應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，管片中部應(yīng)力集中，分布對稱，管片中部應(yīng)力較大，兩側(cè)較為均勻，位于管片底部凹槽的拉應(yīng)力最大，存在開裂的可能性。

3)襯砌和圍巖共同承擔(dān)內(nèi)水壓力作用，研究發(fā)現(xiàn)襯砌與圍巖的承載比分布在3.8%～5.8%，說明圍巖是承擔(dān)內(nèi)水壓力的主要對象，而襯砌管片分擔(dān)相對較小。

4)隨著襯砌接縫開度的增大，環(huán)向螺栓的拉應(yīng)力也隨之增大，其中J3和J4處螺栓應(yīng)力最大，J1和J6處螺栓應(yīng)力最小。

5)在同一水頭下，水頭與接縫開度呈線性關(guān)系，且各接縫開度平均值差異較小，接縫平均開度變化規(guī)律表現(xiàn)出J3=J4>J2=J5>J1=J6。