【摘要】我國西北地區(qū)基本上是干旱和半干旱地區(qū)，降水量較少，水資源地區(qū)分布極不均勻，因而建設(shè)了一批引水供水工程，比如引大入秦工程、引洮供水一期工程等。黃土高原有著其獨特的地形地貌及地質(zhì)，工程的建設(shè)需要考慮諸多因素，特別是隧洞工程，在大型水利工程項目中占有很大的比例。目前陜西地區(qū)正在興建的水工隧洞數(shù)量眾多，當?shù)氐乃矶垂こ痰刭|(zhì)多為黃土，因此充分考慮這種地質(zhì)狀況，認真研究黃土水工隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)計算，進而分析其開裂的機理，對水工隧洞的建設(shè)與穩(wěn)定運行有著重要的意義。

【關(guān)鍵詞】沉降變異；水工隧洞；襯砌結(jié)構(gòu)；開裂機理

1、前言

由于黃土濕陷性造成的建筑物地基變形，其特點是一大二塊，一般變形都比較強烈，常常是正常壓縮變形的數(shù)倍，有時甚至是數(shù)十倍；濕陷變形通常是比較迅速的，遠比正常壓密的固結(jié)時間快得多，許多工程事故證明，往往地基浸水一、兩天內(nèi)就能“見效”。濕陷性對工程建筑物有百害而無一利。

2、黃土水工隧洞的特點及結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 黃土隧洞的特點

黃土隧洞破壞變形的形式主要有掉塊、塌方、剝落（“片幫”）、滑塌等，黃土隧洞圍巖的堅固系數(shù)f=0.4～0.6，開挖后圍巖有一定的自穩(wěn)能力，但自穩(wěn)時間短，此外還存在底板濕陷變形問題。黃土隧洞的地應(yīng)力大小主要取決于隧洞上覆土層的重量，洞室開挖后，由于圍巖臨空，圍巖應(yīng)力重分布，洞壁處切向應(yīng)力達到最大值，從而迫使巖體向洞內(nèi)松弛變形。如果巖體強度足以抵抗上述應(yīng)力集中，則洞室就會保持穩(wěn)定，否則，就會由于松弛位移變形導致破壞。一般在洞室頂部出現(xiàn)拉應(yīng)力，而使頂部圍巖松動掉塊、塌方，洞室兩壁出現(xiàn)楔形剪切體，產(chǎn)生滑移破壞。

2.2黃土水工隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）斷面形式選擇

黃土隧洞圍巖均為輕、重粉質(zhì)壤土，部分洞段為飽水土，屬于極軟巖。隧洞洞身圍巖均屬于V類極軟巖。為適應(yīng)極差的圍巖工程地質(zhì)條件，承擔較大的山巖荷載，黃土隧洞一般選用三心圓拱曲墻弧底（反拱）類馬蹄型斷面型式—V～VI型。

（2）一、二次支護設(shè)計

黃土隧洞極不穩(wěn)定，隧洞開挖后圍巖有一定的自穩(wěn)能力，但自穩(wěn)時間短，如不及時支護，容易出現(xiàn)塌方、冒頂?shù)韧话l(fā)事故。黃土隧洞的變形與否及穩(wěn)定程度除與其土性、含水量、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造有關(guān)外，還與施工方法和支護形式有關(guān)，宜采用全斷面襯砌支護型式。

對于這種分一、二次支護的復合式襯砌，其一次支護形式主要采用及時掛網(wǎng)噴混凝土，加設(shè)鋼拱架（鋼格柵），必要時加設(shè)錨桿及超前鋼管管棚。在引洮供水一期工程黃土隧洞的施工過程中，經(jīng)變形觀測，一次支護后圍巖沒有發(fā)生明顯的變形，洞室穩(wěn)定，說明一次支護措施得當。二次支護主要采用全斷面現(xiàn)澆鋼筋砼，澆筑段長8～12m，設(shè)永久伸縮縫。

由于隧洞襯砌都是超靜定結(jié)構(gòu)，故在開始設(shè)計時必須根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定厚度，再進行靜力分析。分析結(jié)果，如認為設(shè)定的厚度不適當，則應(yīng)重行設(shè)定厚度，進行分析。根據(jù)經(jīng)驗資料。對于素混凝土的襯砌，以巖體堅固系數(shù)為橫坐標，以襯砌厚度與凈跨距的比值為縱坐標，建立相應(yīng)的曲線。已知凈跨距和堅固系數(shù)后，即可求出所需襯砌項拱的厚度。

3、水工隧洞平面有限元模型

3.1分析問題類型

本文根據(jù)水工隧洞工程其實際的特點，在平面應(yīng)變的模型中我們對整個研究范圍均采用實體單元進行模擬計算，在靜力分析過程中，水工隧洞縱向有很長的延伸，而研究的該段其斷面的大小和形狀沿著縱向不變，所以水工隧洞屬于平面應(yīng)變問題。

3.2材料屬性

在計算前需要對這兩種材料設(shè)置物理力學性質(zhì)，如：材料的彈性模量、粘聚力、泊松比、內(nèi)摩擦角、容重、抗拉強度、抗壓強度。

3.3單元屬性定義

在網(wǎng)格劃分前，還要對模型中我們使用的單元屬性來進來定義，即把各種材料特性值分別賦予給其模型，使得該模型具有與實際工程一樣的特性。它包含了單元類型定義、實常數(shù)定義、材料特性定義、截面定義等。

3.4有限元網(wǎng)格劃分

整個分析步驟當中最為重要一步為網(wǎng)格劃分，其恰當與否直接關(guān)系到計算成功與否，它的目的是把水工隧洞模型進行細化處理成節(jié)點和單元，因此該步驟對分析的經(jīng)濟性和準確性起著決定性影響。本文對水工隧洞模型的圍巖、混凝土襯砌均采用四節(jié)點平面應(yīng)變縮減積分單元（CPE4R）進行網(wǎng)格劃分，劃分方法為：在襯砌較近區(qū)域內(nèi)劃分較密集的網(wǎng)格，在離隧洞相對較遠的圍巖區(qū)域處劃分相對稀疏的網(wǎng)格，這樣可以較好的分析水工隧洞的應(yīng)力和應(yīng)變。

3.5計算荷載

根據(jù)水工隧洞設(shè)計規(guī)范可知，水工隧洞的計算荷載有圍巖壓力、襯砌自重、內(nèi)水壓力，外水壓力。在運行期水庫截流后蓄水到正常水位時，主要是通過襯砌來承擔外水壓力，按照水工隧洞設(shè)計規(guī)范和本文的實際工程概況可知，城門洞型水工隧洞一般為無壓隧洞，因為本文是對水工隧洞襯砌做規(guī)律性的分析，內(nèi)水的水頭很小，且內(nèi)水壓力對本文分析為有利因素荷載，在此我們將設(shè)置其最不利的工況，因此不考慮有利因素內(nèi)水水頭。

3.6邊界條件

該平面模型中的圍巖計算范圍中左右邊界采用水平約束，允許其豎向變位，下邊界采用豎向約束，允許其水平變位，其余部位均為自由節(jié)點。

結(jié)語：

總而言之，本文以漢村隧洞為依托，采用有限元法對該隧洞的混凝土襯砌進行了結(jié)構(gòu)計算，研究了水工隧洞在不同工況下的應(yīng)力、位移分布規(guī)律，并分析了高跨比對隧洞襯砌工作狀態(tài)的影響，對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的開裂機理進行了比較深入的分析研究，對從事隧洞研究的技術(shù)人員具有一定的借鑒意義。

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