穿越膨脹巖地層輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

林永俊

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

1 工程背景

上英水庫(kù)位于遼寧省海城市王石鎮(zhèn)上英村境內(nèi)，是遼寧省重要河流太子河支流五道河上的骨干性水利工程。水庫(kù)壩址以上流域面積54km2，占全流域面積的19.3%。該水庫(kù)屬于Ⅲ等工程，大壩、溢洪道和輸水洞等主要水工建筑物為3級(jí)。水庫(kù)按照100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1000年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。水庫(kù)的輸水洞位于大壩右側(cè)的山體中，其斷面設(shè)計(jì)為單孔馬蹄型斷面隧洞，洞徑2.0m，進(jìn)口高程80m，出口高程78m，主洞全長(zhǎng)398m。根據(jù)施工技術(shù)資料，輸水洞周邊的地質(zhì)環(huán)境整體良好，僅在洞室的176m和326m部位存在兩處斷層，斷層破碎帶的寬度均在10m以上，同時(shí)，洞身區(qū)域分布有白堊紀(jì)地層，其巖性主要是砂巖、泥巖和礫巖，主要地層為砂巖夾泥巖，具有遇水膨脹特征。該區(qū)的地下水主要是裂隙水和孔隙水，可以為巖層的軟化和膨脹提供豐富的水源條件。另一方面，海城市位于郯城-營(yíng)口地震帶上，在1975年2月4日發(fā)生7.3級(jí)強(qiáng)震，對(duì)周邊的建筑物產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞性影響。因此，研究和分析穿越膨脹巖地層輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)特征，對(duì)工程運(yùn)行管理和安全維護(hù)具有重要意義。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 模型的構(gòu)建

FLAC是工程界常用的數(shù)值模擬計(jì)算軟件，其計(jì)算原理是有限差分法，也就是拉格朗日連續(xù)介質(zhì)法，其英文表述為Fast Lagrangian Analysis of Continua，F(xiàn)LAC為其首字母的縮寫(xiě)[1]。在模擬巖土體的本構(gòu)模型中，鄧肯-張模型得到了十分廣泛的應(yīng)用，但是該模型難以考慮中主應(yīng)力效應(yīng)的固有缺陷，計(jì)算獲取的土體變形偏大[2]。基于此，此次模擬計(jì)算中參考相關(guān)文獻(xiàn)，基于FLAC3D實(shí)現(xiàn)考慮中主應(yīng)力效應(yīng)的改進(jìn)鄧肯-張模型的二次開(kāi)發(fā)，對(duì)背景工程襯砌結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算[3]。

在模型構(gòu)建過(guò)程中，選擇背景工程輸水隧洞0+276.00—0+286.00洞段作為研究洞段，該段輸水隧洞的埋深為28m左右。綜合考慮計(jì)算結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性以及計(jì)算過(guò)程的簡(jiǎn)潔性和便捷性，地下洞室工程的模型計(jì)算范圍一般為開(kāi)挖洞徑的3～5倍[4]。結(jié)合背景工程的設(shè)計(jì)方案，模型x軸方向的寬度為30m，y軸方向的長(zhǎng)度為10m，z軸方向上的高度為30m，整個(gè)模型的尺寸為30m×30m×10m。對(duì)模型采用六面體八節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格單元剖分，整個(gè)模型劃分為163200個(gè)網(wǎng)格單元和171349個(gè)節(jié)點(diǎn)[5]。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件和計(jì)算參數(shù)

結(jié)合研究的實(shí)際需要，對(duì)模型設(shè)置位移邊界條件，其中模型的底部施加全位移約束條件，模型的兩側(cè)施加豎向位移條件，模型的頂部為自由邊界條件，不施加位移約束[6]。結(jié)合相關(guān)的工程設(shè)計(jì)規(guī)范和背景工程的地質(zhì)資料，確定表1的模型材料計(jì)算參數(shù)。

2.3 計(jì)算方法

在模擬計(jì)算過(guò)程中選擇的是1940年美國(guó)Empire Volley區(qū)域記錄的EI-Centro波，輸入的動(dòng)力荷載采用的是基本烈度為7度，峰值加速度為0.15g的50年水平上超越概率為0.1的水平地震波[7]。計(jì)算中的濾波和基線(xiàn)調(diào)整使用Seismo Signal軟件[8]。在保證加速度的峰值以及頻譜特征滿(mǎn)足相關(guān)要求之后，在模型的水平和豎向同時(shí)輸入地震荷載，兩者的加速度的幅值比為1∶0.6，出于減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間的考慮，僅截取15s的地震波，其加速度時(shí)程曲線(xiàn)如圖2所示。出于節(jié)約計(jì)算時(shí)間的考慮，模型采用局部阻尼[9]。鑒于巖土體的臨界阻尼比一般為0.01～0.05之間，此次研究計(jì)算將臨界阻尼比確定為0.05，局部阻尼系數(shù)確定為0.157。

表1 模型材料計(jì)算參數(shù)

圖2 地震波速度時(shí)程曲線(xiàn)

在模型計(jì)算完畢之后，在輸水洞襯砌的內(nèi)側(cè)選取拱頂、左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳、仰拱等8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的位移、襯砌加速度響應(yīng)和襯砌應(yīng)力進(jìn)行分析。為了研究地震作用下隧道的位于不同級(jí)別巖層的響應(yīng)情況，設(shè)計(jì)3種計(jì)算工況，工況1為Ⅱ級(jí)圍巖；工況2為Ⅲ級(jí)圍巖，工況3為Ⅳ級(jí)圍巖。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移分析

利用構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)輸水隧洞位于不同巖層位置時(shí)地震荷載作用下的位移情況進(jìn)行計(jì)算，獲得不同工況下各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值，結(jié)果見(jiàn)表2。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在不同工況下，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值變化特征基本一致，均為輸水洞的拱頂部位位移值最大，仰拱部位的位移值最小，左右拱腳、左右拱腰以及左右拱肩的位移值基本相等。由此可見(jiàn)，在地震荷載的作用下，隧道不同位置的地震位移響應(yīng)規(guī)律基本一致，主要表現(xiàn)為上部變形大于下部變形，且呈現(xiàn)出比較顯著的左右對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)。另一方面，不同計(jì)算工況的結(jié)果對(duì)比來(lái)看，工況3的位移計(jì)算結(jié)果最大，工況2次之，工況3的位移值最小。由此可見(jiàn)，圍巖的等級(jí)對(duì)地震位移響應(yīng)存在比較明顯的影響，圍巖等級(jí)越低，位移值越大。因此，在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中，針對(duì)輸水隧洞穿越低圍巖等級(jí)區(qū)域，應(yīng)該提高圍巖加固和襯砌質(zhì)量，以提高輸水隧洞工程的整體抗震能力。

表2 襯砌關(guān)鍵部位位移峰值計(jì)算結(jié)果 單位：mm

3.2 襯砌加速度響應(yīng)分析

利用構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)輸水隧洞位于不同巖層位置時(shí)地震荷載作用下的加速度響應(yīng)情況進(jìn)行計(jì)算，獲得不同工況下各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度峰值，結(jié)果見(jiàn)表3。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在不同計(jì)算工況下，加速度變化特征具有相似性，說(shuō)明在地震作用下圍巖等級(jí)不會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)規(guī)律產(chǎn)生顯著影響。具體來(lái)看，在輸水隧洞的拱頂部位加速度的響應(yīng)值最小，拱腳或仰拱部位加速度的響應(yīng)值最大。另一方面，不同計(jì)算工況的加速度峰值存在一定的差異，說(shuō)明輸水隧洞圍巖等級(jí)會(huì)對(duì)加速度響應(yīng)值的大小產(chǎn)生一定的影響，輸水隧洞圍巖等級(jí)越高，加速度峰值響應(yīng)值越小，圍巖等級(jí)越低，加速度峰值響應(yīng)值越大。

表3 襯砌關(guān)鍵部位加速度峰值計(jì)算結(jié)果 單位：cm/s2

3.3 襯砌應(yīng)力分析

利用構(gòu)建的有限元計(jì)算模型對(duì)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)在地震作用下的應(yīng)力相應(yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中提取出各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力峰值，結(jié)果分別見(jiàn)表4—5。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在3種計(jì)算工況下，輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力峰值均呈現(xiàn)出比較明顯的對(duì)稱(chēng)分布特征。其中仰拱部位的主應(yīng)力峰值最小，拱腳部位的主應(yīng)力峰值最大。由此可見(jiàn)，輸水隧洞在地震作用下拱腳部位為薄弱點(diǎn)。從不同計(jì)算方案的結(jié)果對(duì)比來(lái)看，工況3的主應(yīng)力峰值最大，方案2次之，方案1的主應(yīng)力峰值最小，但是3種方案的主應(yīng)力峰值比較接近差距并不明顯。由此可見(jiàn)，圍巖等級(jí)雖然對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力峰值存在一定的影響，但是影響并不明顯。

表4 襯砌關(guān)鍵部位第一主應(yīng)力峰值計(jì)算結(jié)果 單位：MPa

表5 襯砌關(guān)鍵部位第三主應(yīng)力峰值計(jì)算結(jié)果 單位：MPa

4 結(jié)語(yǔ)

此次研究以具體工程為依托，利用數(shù)值模擬的方式探討了穿越膨脹巖地層輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)特征，并獲得如下主要結(jié)論：

(1)在地震荷載作用下，輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)上部的位移量相對(duì)較大，且呈現(xiàn)出比較顯著的左右對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)；圍巖的等級(jí)越低，襯砌結(jié)構(gòu)各部位的峰值位移量越大。

(2)在地震荷載作用下，輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)上部的加速度峰值相對(duì)較大，且呈現(xiàn)出比較顯著的左右對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)；圍巖的等級(jí)越低，襯砌結(jié)構(gòu)各部位的加速度峰值越大。

(3)在地震荷載作用下，輸水隧洞襯砌拱腳部位的主應(yīng)力峰值較大；圍巖等級(jí)對(duì)主應(yīng)力峰值的影響不明顯。