柳 頌

(東港市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 丹東 118300)

1 工程背景

柴河水庫位于遼寧省鐵嶺市境內(nèi)，距離市區(qū)約15 km，是遼河一級支流柴河上的一座以防洪灌溉為主，兼具養(yǎng)殖和發(fā)電等諸多功能的綜合性大型水利樞紐工程[1]。水庫集雨面積1355.00 km2，總庫容6.36億m3，興利庫容3.36億m3，是鐵嶺市的重要水源地水庫。柴河供水工程的主體為輸水隧洞工程、分水點(diǎn)事故檢修閘門井工程、鐵嶺新城區(qū)支線出口閥井工程，隧洞全長14649.43 m，控制樁號為S21+550.000～S28+550.000、T0-090.736～T7+558.694，縱坡i=0.099‰、i=0.307‰。隧洞為有壓隧洞，采用鉆爆法開挖，成洞斷面為圓形D=3.90 m。工程所在地遼寧省鐵嶺市位于郯城-營口地震帶上，地震活動(dòng)比較頻繁，基本烈度為7度。2013年8月11日在鐵嶺開源市附近發(fā)生3.0級地震，雖然近幾十年來，鐵嶺市境內(nèi)地震活動(dòng)總體比較平靜，但是并不能排除在未來發(fā)生震級較大的破壞性地震的可能性。因此，對輸水隧洞的地震響應(yīng)展開研究具有十分重要的意義和價(jià)值。

2 輸水隧洞有限元模型的建立2.1 計(jì)算軟件的選取

目前，國際上比較常用的有限元軟件有ANSYS、ABAQUS、ASKA、ADINA等很多種類，這些軟件不僅包含適合各種計(jì)算工況與復(fù)雜工程條件的分析程序，同時(shí)也具有十分強(qiáng)大的前處理和后處理模塊[2]。其中ANSYS軟件是一款整合了結(jié)構(gòu)、電場、聲場、磁場、流體等眾多模塊的大型有限元分析軟件。該軟件由前處理模塊、分析計(jì)算模塊以及后處理模塊組成，可以十分方便的進(jìn)行工程研究中的有限元模型構(gòu)造，研究對象的分析計(jì)算以及結(jié)果的呈現(xiàn)。因此，本次研究選用ANSYS軟件進(jìn)行輸水隧洞的有限元模型構(gòu)建。

2.2 隧洞模型的構(gòu)建

柴河水庫輸水工程的輸水隧洞為圓形，洞徑3.90 m。在利用有限元模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析過程中，不少學(xué)者對計(jì)算邊界這一重要影響因素進(jìn)行了深入研究，并提出了諸多觀點(diǎn)，其中最為常見的是阻尼邊界、一致邊界以及無限遠(yuǎn)邊界等[3-4]。當(dāng)然，從計(jì)算精確度層面來講，模型計(jì)算區(qū)域越大越好，但是受到計(jì)算手段和復(fù)雜程度等諸多因素的影響，需要確定一定的豎向計(jì)算范圍和橫向計(jì)算寬度。此次研究結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究成果，模型的左右邊界各延伸10倍洞徑[5]。隧洞底部以下取3倍洞徑，上部為至地表。模型的四周采取法向剛性約束，底部采取固定約束，頂部為自由邊界條件，水體與襯砌的接觸面設(shè)置為流固耦合界面[6]。在構(gòu)建模型時(shí)，隧洞周圍的巖體體和襯砌采取PLANE42 單元進(jìn)行模擬，隧洞內(nèi)部的水體利用FLUID29 單元進(jìn)行模擬，模型共劃分為1280個(gè)計(jì)算單元，1345個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，其計(jì)算模型如圖1所示。在輸水隧洞的拱頂、左拱腰、左邊墻、左墻腳、仰拱、右拱腰、右邊墻、右墻腳以及拱頂部位分別設(shè)置八個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，各監(jiān)測點(diǎn)的位置如圖2所示。

圖1 模型網(wǎng)格剖分示意圖

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

2.3 地震波的選取和載入

由于項(xiàng)目所在地的強(qiáng)震記錄資料缺乏，因此研究中選取國際上常用的EL.Centro 地震的加速度記錄。由其中的地震波加速圖譜可知，前8 s的地震響應(yīng)最大，因此，本次研究選取前8s的地震加速度譜對輸水隧洞的地震響應(yīng)進(jìn)行分析。由于項(xiàng)目所在地的地震烈度較高，特選取地震烈度為9度，也就是地震波幅值為0.15 g，豎向取水平向的2/3，對模型施加水平向地震激勵(lì)和豎向地震激勵(lì)以及兩個(gè)方向共同施加，以獲得不同方向地震激勵(lì)條件下的輸水隧洞動(dòng)力影響的應(yīng)力應(yīng)變特征。結(jié)合研究對象的實(shí)際特點(diǎn)和相關(guān)研究成果，本次研究選取瑞利阻尼，其臨界阻尼比按照經(jīng)驗(yàn)值的5%選取[7]。

2.4 流固耦合方式的設(shè)置

流體和固體之間的動(dòng)力相互作用是水利工程研究設(shè)計(jì)中的重要問題，并主要表現(xiàn)為兩種基本形態(tài)：一是以滲流問題為代表的流體域與固體域之間相互重疊的問題；二是兩者在交界面上發(fā)生的耦合作用，如液體與裝載液體的容器之間的耦合作用。顯然本次研究屬于第二種形態(tài)。關(guān)于流固耦合主要有順序耦合以及直接耦合兩種方法。本次研究中利用FLUID29 聲學(xué)流體單元對輸水隧洞中的水體進(jìn)行模擬，利用直接耦合法進(jìn)行流固耦合場的分析。

2.5 計(jì)算工況與計(jì)算參數(shù)

本次研究的主要內(nèi)容是采用不同混凝土材料時(shí)對輸水隧洞地震響應(yīng)產(chǎn)生的影響，因此分別選取C25、C30、C40和C50四種不同的襯砌混凝土等級進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，其襯砌材料和周圍巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 襯砌材料和周圍巖土體的物理力學(xué)參數(shù)表

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移計(jì)算結(jié)果與分析

對四種不同工況下的輸水隧洞襯砌各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水平位移量進(jìn)行計(jì)算，獲得如表2所示的監(jiān)測點(diǎn)水平位移峰值計(jì)算結(jié)果。由表格中的數(shù)據(jù)可以看出，在不同工況下，輸水隧洞襯砌各關(guān)鍵部位的水平位移峰值變化不大，說明混凝土等級的變化對輸水隧洞位移的影響有限，也就是增大襯砌剛度對抑制地震應(yīng)力作用下的輸水隧洞變形的作用并不明顯。

表2 不同工況下各監(jiān)測點(diǎn)水平位移峰值計(jì)算結(jié)果 mm

3.2 加速度計(jì)算結(jié)果與分析

對四種不同工況下的輸水隧洞襯砌各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水平加速度進(jìn)行計(jì)算，獲得如表3所示的監(jiān)測點(diǎn)水平加速度峰值計(jì)算結(jié)果。由表格中的數(shù)據(jù)可以看出，在不同工況下，輸水隧洞襯砌各關(guān)鍵部位的水平加速度峰值變化不大，說明混凝土等級的變化對輸水隧洞水平加速度影響有限，也就是增大襯砌剛度對抑制地震應(yīng)力造成的水平加速度作用極為有限。

表3 不同工況下各監(jiān)測點(diǎn)水平加速度峰值計(jì)算結(jié)果 m/s2

3.3 主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析(剛度因素)

為了研究混凝土等級對地震響應(yīng)的影響，研究中針對四種不同工況下的各監(jiān)測點(diǎn)的主應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出各監(jiān)測點(diǎn)的第一主應(yīng)力峰值和第三主應(yīng)力峰值的變化曲線，如圖3、圖4所示。由圖可知，在所有四種不同工況下，輸水隧洞的拱腰與墻腳部位的主應(yīng)力峰值較大，說明上述部位是輸水隧洞在地震應(yīng)力作用下的薄弱部位；隨著輸水隧洞襯砌用混凝土等級的增加，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的主應(yīng)力峰值也呈現(xiàn)出增加態(tài)勢。以左墻腳為例，襯砌為C25混凝土?xí)r，第一主應(yīng)力峰值為1.536 MPa，第三主應(yīng)力峰值為-1.571 MPa；采用C30混凝土?xí)r，第一主應(yīng)力峰值為1.627 MPa，第三主應(yīng)力峰值為-1.659 MPa分別增加5.92%和5.62%；采用C40混凝土?xí)r，第一主應(yīng)力峰值為1.717 MPa，第三主應(yīng)力峰值為-1.747 MPa，相對于C25混凝土分別增加11.78%和1.23%；采用C50混凝土?xí)r，第一主應(yīng)力峰值為1.786 MPa，第三主應(yīng)力峰值為-1.815 MPa，相對于C25混凝土分別增加16.28%和15.53%。

基于上述分析，提高輸水隧洞混凝土襯砌的等級，會(huì)使地震應(yīng)力作用下的輸水隧洞應(yīng)力增大。鑒于混凝土材料具有顯著的脆性特征，因此增加輸水隧洞襯砌混凝土的剛度并不利于隧洞本身抗震性能的改善。馬宏偉[8]在相關(guān)研究中利用級數(shù)展開法研究了地震波作用下圓形輸水隧洞地震響應(yīng)，結(jié)果顯示提高混凝土等級有助于減小輸水隧洞襯砌承受的動(dòng)水壓力，但是會(huì)增加環(huán)向和軸向動(dòng)應(yīng)力，因而不利于抗震性能改善。本次研究獲得相似的結(jié)論，也就是提高輸水隧洞混凝土等級會(huì)造成襯砌應(yīng)力增加，反而不利于抗震性能的改善。建議在輸水隧洞施工中采用C25混凝土進(jìn)行襯砌施工，并結(jié)合外部抗震帶等其他工程措施，改善輸水隧洞的抗震性能。

圖3 第一主應(yīng)力峰值計(jì)算結(jié)果

圖4 第三主應(yīng)力峰值計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

此次研究以遼寧省柴河供水工程輸水隧洞為工程背景，通過ANSYS有限元分析的方法，對襯砌混凝土等級對輸水隧洞地震響應(yīng)的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并獲得如下主要結(jié)論：

(1)襯砌混凝土等級的變化對輸水隧洞水平位移和水平加速度的影響有限，增大襯砌混凝土等級對抑制地震條件下輸水隧洞變形的作用并不明顯。

(2)提高輸水隧洞混凝土襯砌的等級，會(huì)使地震應(yīng)力作用下的輸水隧洞應(yīng)力增大，不利于隧洞本身抗震性能的改善。

(3)建議采用C25混凝土進(jìn)行輸水隧洞襯砌施工，同時(shí)結(jié)合外部抗震帶等其他工程措施，改善輸水隧洞的抗震性能。