黃土地層浸水工況對輸水隧洞襯砌結構安全的影響

王俊華

(江西省水利水電建設集團,南昌 330000)

0 引 言

我國當前水資源儲量豐富,但地域之間分布極不均衡,為此,各類引輸水工程愈發(fā)常見,輸水隧洞是引水工程中重要的建筑物。此類建筑物在復雜的地層中很容易因地層變化而引發(fā)襯砌結構力學性能的改變,進而對輸水隧洞襯砌結構受力造成極為不利的影響,甚至引發(fā)輸水隧洞襯砌結構滲漏、沉降過大、破壞。國內(nèi)外學者對于輸水隧洞襯砌結構滲漏及穩(wěn)定的研究開始較早,成果頗豐,但大多集中在軟弱地層及各種沉積巖、巖漿巖和變質巖地層方面,對黃土地區(qū)輸水隧洞襯砌病害的研究較少。黃土對水環(huán)境改變十分敏感,黃土地層輸水隧洞局部滲漏必然引起黃土地層含水率的改變,黃土含水率增大后強度降低,變形增大,地質條件惡化,進而對輸水隧洞襯砌結構造成不利影響。

為深入研究黃土地區(qū)輸水隧洞滲漏引發(fā)黃土地層浸水后對隧洞襯砌結構位移、沉降、應力等影響的程度及趨勢規(guī)律,以具體輸水隧洞工程為例,擬定出5種黃土地層浸水工況,并通過數(shù)值模擬技術對浸水黃土地層影響下輸水隧洞襯砌結構力學行為展開分析探討,以期為該工程及同類型地層條件下輸水隧洞滲漏防護提供借鑒參考。

1 工程概況

某輸水隧洞工程包括1條總干線和2條支線,支線又分成Y支線和S支線,其中S支線設計流量為1.3m3/s,輸水線路全長35.8km,主要包括輸水隧洞和壓力管線等組成部分,沿線主要穿越侵蝕-剝蝕黃土梁峁地貌,黃土殘垣及溝壑發(fā)育;隧洞洞身則處濕陷性黃土地層,輸水隧洞埋深最大超60m。結合地勘報告,區(qū)域內(nèi)黃土濕陷系數(shù)在0.02～0.03之間,雖為輕微濕陷,但考慮到黃土材料的特性,在輸水隧洞運營期間如果發(fā)生滲漏并浸濕黃土地層,其較為穩(wěn)定的性態(tài)便會發(fā)生改變,進而對隧洞結構穩(wěn)定性造成不利影響[1]。此外,該輸水管線采用有壓輸水形式,如若出現(xiàn)局部滲漏,必然引發(fā)地層濕陷以及輸水隧洞襯砌結構破壞等連鎖反應,在輸水壓力的持續(xù)作用下,對周圍環(huán)境造成惡劣影響。為此,文章通過擬定輸水隧洞不同位置滲漏工況,對有壓輸水管線滲漏引起黃土地層濕陷后隧洞結構受力以及地層沉降等過程展開模擬分析,確定出輸水隧洞不同位置發(fā)生滲漏對隧洞襯砌結構影響的規(guī)律性,擬定出合理的控制方案,為黃土地層輸水隧洞安全穩(wěn)定運行提供保障。

2 模型構建

2.1 數(shù)值模型

在全面調查工程地質并分析地勘報告、展開相關試驗的基礎上,進行了該黃土地層輸水隧洞巖體地質力學參數(shù)的選取與確定,具體見表1。

結合該輸水隧洞幾何參數(shù)取值,并應用MIDAS GTS NX有限元軟件構建數(shù)值模型,隧洞直徑10m,設置30cm厚的C30混凝土襯砌結構。在構建數(shù)值模型時應將模型邊界和隧洞邊界間的距離控制在洞徑的3倍以上,以降低邊界效應的不利影響。模型長×寬×高為100m×50m×60m,結合計算要求劃分模型單元網(wǎng)格。設置模型荷載條件及邊界約束。該模型荷載主要包括圍巖巖體及隧洞襯砌結構自重;邊界約束也就是對對模型位移及旋轉所施加約束,具體包括模型左右側x向、前后側y向上下側z向約束。周圍圍巖通過三維實體單元及Mohr-Coulom彈塑性模型展開模擬,襯砌結構材料則通過二維板單元及各向同性彈性模型進行模擬[2]。

2.2 計算工況

結合相關研究成果及初步分析結果,該輸水隧洞四周10m范圍內(nèi)的圍巖土體受黃土地層滲漏濕陷影響最為嚴重,故對該范圍內(nèi)巖土體區(qū)域進行了劃分與編號。采用密模修正法展開輸水隧洞周圍濕陷性黃土局部滲漏對隧洞力學特征影響的分析,為保證分析結果的真實準確,分別對輸水隧洞拱頂、拱腰、拱肩、拱腳、仰拱等部位局部滲漏展開分析[3]。該范圍內(nèi)拱頂、拱腰、拱肩、拱腳、仰拱處局部滲漏分析工況具體見表2。

表2 輸水隧洞局部滲漏分析工況

3 輸水隧洞力學行為分析

3.1 襯砌結構整體受力

根據(jù)《水工混凝土結構設計規(guī)范》、《水工隧洞設計規(guī)范》等相關規(guī)定,對于在滲流影響下易發(fā)生滲透變形、失穩(wěn)的斷層、破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育的不良地質洞段;遇水后極易膨脹、泥化、崩解、軟化的不良地質洞段等,設計等級應提高一級,最高為Ⅰ級,并應同時加強襯砌結構防滲和止水處理[4]。為此,在該輸水隧洞內(nèi)力計算時,采用Ⅰ級的水工工程設計等級,在按受拉承載力確定素混凝土結構荷載效應基本組合時,安全系數(shù)取1.45。根據(jù)對隧洞初期支護彎矩圖及軸力圖的分析,該輸水隧洞初期支護結構受力薄弱點位安全系數(shù)計算結果見表3,根據(jù)表中結果,該黃土地層浸水工況下輸水隧洞初期支護結構安全系數(shù)符合規(guī)范。

表3 初期支護結構受力薄弱點位安全系數(shù)

為簡化分析,此處忽略運營工況,僅計算檢修情況下輸水隧洞二襯結構受力情況,結合《水工混凝土結構設計規(guī)范》及該輸水隧洞建筑物設計等級,在鋼筋混凝土結構基本荷載組合下二襯安全系數(shù)取1.35,受力薄弱點位安全系數(shù)計算結果見表4。根據(jù)表中結果,輸水隧洞二襯結構安全系數(shù)符合規(guī)范。

表4 二襯結構受力薄弱點位安全系數(shù)

3.2 輸水隧洞水平位移

通過對該黃土地層浸水工況影響下輸水隧洞局部滲漏水平位移云圖的分析看出,隧洞不同區(qū)域局部滲漏所引發(fā)的水平位移均較小,且與滲漏發(fā)生前的狀況相比,水平位移主要出現(xiàn)在兩側拱腰位置。在工況1下,拱頂出現(xiàn)局部滲漏后,兩側拱腰均在水平向向外側呈一定程度的敞開態(tài)勢,但水平位移量均未超出1.70mm;單側拱肩、拱腰及拱腳出現(xiàn)局部滲漏后,兩側拱腰表現(xiàn)出小幅度位移。在工況5下,仰拱處出現(xiàn)局部滲漏,兩側拱腰均于水平向持續(xù)向內(nèi)收縮,且水平收縮量位于0.82～0.94mm之間。其余工況下輸水隧洞各部位均未出現(xiàn)明顯的水平位移,故不予分析。綜合以上結果可以看出,該輸水隧洞黃土地層浸水后局部滲漏所引發(fā)的襯砌結構水平位移主要出現(xiàn)在拱腰,且水平位移值較小,故應將分析重點放在豎向位移及地表沉降等方面。

3.3 輸水隧洞豎向位移

不同滲漏工況下輸水隧洞圍巖位移均主要表現(xiàn)為豎向位移,結合局部滲漏豎向位移云圖及測點豎向位移值的模擬結果(表5)可以看出,黃土地層浸水工況下的輸水隧洞豎向位移受局部滲漏的影響較大,且隧洞拱頂、拱肩、拱腳、拱腰及仰拱等處豎向位移均表現(xiàn)為下沉。當拱頂處表現(xiàn)出滲漏時(即工況1),輸水隧洞其余部位位移均圍繞隧洞軸線呈對稱分布,最大位移(7.12mm)出現(xiàn)在拱頂處;拱肩、拱腰及拱腳處豎向位移取值均較為接近;仰拱處豎向位移最小,為3.40mm。當拱肩處出現(xiàn)滲漏時(即工況2),最大豎向位移(5.93mm)出現(xiàn)在拱肩,而拱頂、拱腰及拱腳處豎向位移值均較為接近,最小豎向位移(3.21mm)出現(xiàn)在仰拱處;當拱腰處出現(xiàn)滲漏時(即工況3),拱頂處豎向位移僅為3.55mm,最大豎向位移(4.53mm)出現(xiàn)在拱腰,最小豎向位移(2.80mm)仍發(fā)生在仰拱處;當拱腳處出現(xiàn)滲漏時(即工況4),拱腳處豎向位移最大,為4.93mm,拱頂與仰拱處豎向位移一致,且均為最小;當仰拱處出現(xiàn)滲漏時(即工況5),最大豎向位移(5.21mm)出現(xiàn)在仰拱處,其余部位豎向位移均相對較小[5]。

表5 輸水隧洞局部滲漏豎向位移模擬結果 mm

通過匯總分析不同工況下輸水隧洞豎向位移可以看出,在隧洞黃土地層浸水且出現(xiàn)局部滲漏后,滲漏處隧洞襯砌結構豎向位移取值最大,除仰拱處豎向位移值最小外,其余部位豎向位移值均較為接近。結合輸水隧洞運行實際,拱頂發(fā)生滲漏的情況一般較為少見,故對出現(xiàn)滲漏問題的輸水隧洞實施防護加固時,應以拱肩和拱腳為重點。

3.4 地表沉降

通過對該輸水隧洞黃土地層浸水工況下局部滲漏區(qū)域地表沉降模擬結果的分析,可以得出該隧洞不同區(qū)域局部滲漏下的地表沉降值,具體見表6。由表可知,對于不同部位發(fā)生局部滲漏的輸水隧洞而言,地表沉降存在較大差異;其中工況1拱頂出現(xiàn)滲漏、工況5仰拱發(fā)生滲漏,且均因滲漏位置關于隧洞軸線對稱,地表沉降也圍繞隧洞軸線而呈對稱布置。隧洞側拱肩、拱腰、拱腳發(fā)生滲漏后均會對地表沉降造成較大影響,且沉降量隨滲漏位置埋深的增大而減小;最大沉降位置也隨滲漏部位的改變而向滲漏側移動。故在分析輸水隧洞地表沉降受局部滲漏影響的過程中,必須加強對拱頂、拱肩、拱腰處滲漏的重點防護[6-7]。

3.5 襯砌結構應力

該輸水隧洞不同區(qū)域黃土地層發(fā)生滲漏后襯砌結構應力監(jiān)測結果見表7。根據(jù)對表中數(shù)據(jù)的分析,在該隧洞出現(xiàn)局部滲漏后,拱頂及仰拱周圍以壓應力為主,拱腰處則以拉應力為主。對于不同浸水工況,隧洞襯砌結構最大最小主應力取值也不盡相同,最大主應力出現(xiàn)在左側拱腰處;最小主應力則出現(xiàn)在仰拱處,并隨浸水位置的下移其量值呈減小趨勢,表明黃土地層浸水工況對隧道襯砌結構的影響程度逐漸減小。

表6 輸水隧洞局部滲漏地表沉降模擬結果 mm

表7 襯砌結構應力監(jiān)測結果

在該輸水隧洞拱頂出現(xiàn)滲漏后襯砌結構應力值最大,仰拱處出現(xiàn)滲漏后襯砌結構應力值最小;隧洞不同部位黃土地層浸水工況下的滲漏對襯砌結構應力的影響相差不大,且均會對拱頂和仰拱造成壓應力,對拱腰造成拉應力。當輸水隧洞單側出現(xiàn)局部滲漏,則滲漏側應力必將大于未滲漏側應力。由此可見,輸水隧洞局部滲漏必將引發(fā)滲漏側襯砌結構較大應力,為保證輸水隧洞襯砌結構安全,必須加強防護。

4 結 論

綜上所述,黃土地層輸水隧洞在運行過程中一旦發(fā)生滲漏,滲漏點位周圍黃土因吸收水分后含水率及穩(wěn)定性等均會發(fā)生改變,必然會對輸水隧洞襯砌結構的安全性及穩(wěn)定性造成不利影響。為此,通過數(shù)值模擬分析確定出可能的滲漏點位及區(qū)域的基礎上,必須采取針對性強且有效的防護加固措施,為輸水隧洞安全運行提供保證。就該工程而言,參照相關規(guī)范并借鑒類似工程施工經(jīng)驗,可以采用拱部超前小導管預支護、全環(huán)型鋼鋼架初支+噴層+系統(tǒng)錨桿+墊層、C30鋼筋混凝土二襯等襯砌支護結構,襯砌加固效果有待進一步研究與驗證。