基于仿真分析的引水隧洞襯砌裂縫發(fā)生規(guī)律研究

張鳳達(dá)

(佛山市南海區(qū)大瀝水利所,廣東 佛山 528231)

0 引 言

在大規(guī)模輸調(diào)水工程中,長時(shí)間服役下的引水隧洞會(huì)產(chǎn)生一系列的病害,對(duì)隧洞的使用壽命造成威脅。許多學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或采用仿真模擬的方式,對(duì)隧洞的襯砌病害以及隧洞的安全性評(píng)估開展了相關(guān)研究。謝志偉等[1]通過監(jiān)測(cè)已服役18年的某隧洞表面裂縫、混凝土應(yīng)變以及地下水水質(zhì)分等,獲得了襯砌結(jié)構(gòu)變形的主要影響因素。保純志[2]通過使用回歸分析以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方式,針對(duì)洞壁裂縫開展了研究,并獲得了裂縫的變化規(guī)律以及盤道嶺隧洞圍巖的穩(wěn)定性情況。樊立博[3]基于某隧洞運(yùn)行期間的病害數(shù)據(jù),采用GSA-PP的算法,對(duì)襯砌的健康情況進(jìn)行了評(píng)估。趙曉紅等[4]采用Flac開展了數(shù)值仿真模擬研究,探討了隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。劉幸等[5-6]通過非線性有限元法,針對(duì)隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)開展了數(shù)值計(jì)算,同樣對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了評(píng)估。

基于以上成果,本文以服役超20年的某隧洞為例,采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與三維有限元分析相結(jié)合的方式,對(duì)隧洞襯砌裂縫情況進(jìn)行分析研究。研究結(jié)果可為長期服役下的隧洞裂縫防治提供參考。

1 工程概況

某水源工程引水隧洞長約3 700m,水位深度約4.0m,埋深14～119m。典型斷面的襯砌結(jié)構(gòu)見圖1;圍巖類別的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)見表1。

2 裂縫情況統(tǒng)計(jì)

借助特種設(shè)備,對(duì)隧洞全線的裂縫情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)內(nèi)容包括外觀的缺陷,裂縫的數(shù)量、長度、寬度等情況,損傷狀態(tài)如脫落、沖蝕等情況,點(diǎn)、線、面的滲透情況,以及變形或位移等情況。此外,還進(jìn)行了專項(xiàng)檢測(cè),檢測(cè)內(nèi)容包括混凝土的彈性模量、抗壓輕度以及地下水的水質(zhì)等。為了便于對(duì)裂縫的密集程度進(jìn)行表征,引入“條/m”表征裂縫密度,即每米隧洞平均下來有多少條裂縫。其中,根據(jù)圍巖類型對(duì)裂紋密度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

圖1 不同典型斷面的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)示意圖

表1 不同圍巖類別的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

表2 隧洞裂紋密度情況統(tǒng)計(jì)

圖2為不同圍巖下的裂縫密度。結(jié)合表2對(duì)該隧洞運(yùn)行過程中的裂縫密度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),隧洞最多的裂縫類型為襯砌裂縫,總的裂縫數(shù)目為373條;裂縫密度并不會(huì)因圍巖類型越好而降低。由圖2可知,Ⅱ類圍巖裂縫密度最高,占比15%;Ⅴ類圍巖的密度最低,占比7%;Ⅲ類和Ⅳ類圍巖的裂縫密度分別為11%和12%。

3 仿真模擬介紹及參數(shù)設(shè)置

采用Flac有限元分析軟件開展仿真模擬,進(jìn)一步探究該隧洞裂紋密度差異性的具體原因。在進(jìn)行有限元仿真建模中,基于摩爾-庫倫模型,以地質(zhì)埋深高度為頂部,且采用自由邊界的條件;徑向與底部圍巖取5倍洞徑以上的范圍,且采用法向位移約束作為邊界條件。采用六面體單元剖分,其中涉及的4種模型參數(shù)見表3。

圖2 不同圍巖類別下的裂縫密度

表3 模型參數(shù)設(shè)置

外壓水力的計(jì)算公式如下:

Pe=βeγωHe

(1)

式中:pe為作用于襯砌表面的外壓水力,kN/m2;βe為折減系數(shù);γω為水的容重,取值9.8 kN/m3;He為地下水位線至隧洞中心的作用水頭,m。

本次研究共對(duì)兩種工況開展了仿真模擬,見表4。

表4 模擬工況設(shè)置

4 仿真模擬結(jié)果分析

4.1 工程的初始地應(yīng)力場(chǎng)分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明,圍巖的變形特性呈現(xiàn)長久性。通過進(jìn)一步Flac有限元分析模擬,得到初始地應(yīng)力場(chǎng)分布情況,見圖3。

圖3 不同圍巖類別下的地應(yīng)力場(chǎng)與裂縫密度

由圖3可知,4類圍巖的地應(yīng)力場(chǎng)分布為0.6～2.5MPa。其中,Ⅱ類圍巖的地應(yīng)力場(chǎng)值最大,約2.5MPa;埋深最小的Ⅴ類圍巖初始地應(yīng)力場(chǎng)最小,約0.6MPa。而裂縫的密度會(huì)隨著初始地應(yīng)力場(chǎng)的減小而減小,也即初始地應(yīng)力場(chǎng)越大,裂縫的密度也就越大,反映了襯砌狀態(tài)也就越差;對(duì)于初始地應(yīng)力場(chǎng)最小的Ⅴ類圍巖,其裂縫密度也最小,約8%,相較于Ⅱ類圍巖的25%,裂縫密度降低17%。

4.2 襯砌厚度對(duì)應(yīng)力的影響分析

針對(duì)襯砌厚度對(duì)最大主拉應(yīng)力造成的影響進(jìn)行分析,以工況1為例,不同襯砌厚度影響下的最大主拉應(yīng)力和裂縫密度變化見圖4。

圖4 不同襯砌厚度影響下的最大主拉應(yīng)力和裂縫密度變化(以工況1為例)

由圖4可知,工況1中最大主拉應(yīng)力呈下降趨勢(shì)。其中,Ⅱ類圍巖(對(duì)應(yīng)25cm厚襯砌)的最大主拉應(yīng)力最大,約0.74MPa;Ⅴ類圍巖(對(duì)應(yīng)40cm厚襯砌)的最大主拉應(yīng)力最小,約0.46 MPa,相較于Ⅱ類圍巖下降約38%;Ⅲ類圍巖(對(duì)應(yīng)30cm厚襯砌)和Ⅳ類圍巖(對(duì)應(yīng)35cm厚襯砌)的最大主拉應(yīng)力幾乎持平,為0.68 MPa。由此可以得出,最大主拉應(yīng)力與襯砌的厚度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系,襯砌厚度越大,最大主拉應(yīng)力越小,對(duì)應(yīng)的裂縫密度也越小[7]。

4.3 外水壓力對(duì)裂縫的影響分析

針對(duì)外水壓力對(duì)裂縫的影響進(jìn)行研究,通過對(duì)工況1和工況2進(jìn)行仿真模擬分析,結(jié)果見圖5。

圖5為考慮外水壓力與否造成的最大主拉應(yīng)力與垂向位移變化。由圖5可知,當(dāng)不考慮外水壓力時(shí),4類圍巖襯砌所受到的最大主拉應(yīng)力均有明顯下降,最大垂向位移也有所下降。其中,作用于Ⅲ類圍巖襯砌上的最大主拉應(yīng)力下降最大,約0.11MPa,而Ⅱ類圍巖的最大垂向位移相較于工況1降低最多,約0.24cm。由此可以看出,外水壓力會(huì)影響襯砌的受力,進(jìn)而發(fā)生垂向位移,而外水壓力的增大也會(huì)導(dǎo)致襯砌受力的增大,促進(jìn)了襯砌裂縫的形成。因此,外水壓力也是造成襯砌裂縫形成的一個(gè)不可忽略的因素。

圖5 外水壓力造成的最大主拉應(yīng)力與垂向位移對(duì)比

5 結(jié) 論

為了研究隧洞襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生規(guī)律,采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法,對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的分布規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)論如下:

1)通過現(xiàn)場(chǎng)裂縫情況統(tǒng)計(jì),隧洞多裂縫類型為襯砌裂縫;不同圍巖下的裂縫密度呈現(xiàn)不同的分布情況,裂縫密度不會(huì)因圍巖結(jié)構(gòu)好而降低。

2)裂縫密度會(huì)隨著初始地應(yīng)力場(chǎng)的減小而減小。對(duì)于初始地應(yīng)力場(chǎng)最小的圍巖,裂縫密度最小;初始地應(yīng)力場(chǎng)最大的圍巖,裂縫密度最大。

3)最大主拉應(yīng)力與襯砌的厚度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系,襯砌的厚度越大,最大主拉應(yīng)力越小,裂縫密度越小;外水壓力會(huì)影響襯砌的受力,外水壓力的增大也會(huì)導(dǎo)致襯砌受力的增大,促進(jìn)襯砌裂縫的形成;外水壓力是造成襯砌裂縫形成的重要因素。