路 雷，肖 蕾，胡亞運(yùn)

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081）

1 工程概況

貴州省望謨縣油啥水庫(kù)工程位于貴州省黔西南布衣苗族自治州望謨縣,為Ⅲ等中型工程,樞紐工程由混凝土面板堆石壩、右岸洞式溢洪道、右岸泄洪洞、左岸引水系統(tǒng)及地面廠房等主要建筑物組成。

工程泄洪系統(tǒng)由洞式溢洪道和泄洪洞組成,平行布置于右岸。溢洪道為洞式溢洪道,由開敞式引渠、控制段、洞式泄槽段及開敞式挑流消能工等建筑物組成,其中洞式泄槽段底坡i=8%,開挖斷面為城門洞型,凈斷面尺寸為9.5 m×12 m（寬×高）；泄洪洞由進(jìn)口段、閘門井段、洞身段、明渠段、消能段組成,隧洞底坡i=6.7%,開挖斷面為城門洞型,凈斷面尺寸為8 m×12 m（寬×高）。隧洞圍巖為青灰、灰色薄～中厚層鈣質(zhì)泥巖夾鈣質(zhì)砂巖,局部夾鈣質(zhì)頁(yè)巖,隧洞開挖段鈣質(zhì)泥巖所占比例40%左右,地下水位較高。

2 研究思路及計(jì)算步驟

2.1 研究思路

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）規(guī)定,隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算可根據(jù)襯砌的結(jié)構(gòu)型式、荷載特點(diǎn)、圍巖條件和施工方法及程序等選擇合適的計(jì)算方法。其中高壓隧洞或重要的水工隧洞,宜采用有限元法計(jì)算。本工程泄洪洞底板以上外水設(shè)計(jì)水頭高達(dá)92.25 m,采用常規(guī)邊值法進(jìn)行內(nèi)力和配筋計(jì)算,其結(jié)果偏大,因此,采用有限元法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算研究。

本文采用Abaqvs軟件進(jìn)行有限元數(shù)值模擬,分別計(jì)算出各工況襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài),然后選擇拉應(yīng)力最大位置進(jìn)行應(yīng)力積分,按應(yīng)力圖形面積配筋。

2.1.1 結(jié)構(gòu)模型

計(jì)算模型采用地層-結(jié)構(gòu)模型,充分發(fā)揮和利用圍巖的自承能力,施工過(guò)程中及時(shí)噴錨及襯砌支護(hù),將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖形成整體共同受力的統(tǒng)一體系,并考慮襯砌與圍巖采用共結(jié)點(diǎn)接觸的方式近似模擬。

2.1.2 隧洞開挖

隧洞開挖施工過(guò)程通常較為復(fù)雜,如分步驟開挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工等,常規(guī)的分析方法處理起來(lái)十分困難,往往需要通過(guò)有限元對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形、圍巖體的位移等進(jìn)行分析。采用Abaqvs的生死單位即可實(shí)現(xiàn)隧洞的開挖。

2.1.3 襯砌支護(hù)

若沒有襯砌的施工,問題將很簡(jiǎn)單,只需建立初始地應(yīng)力后,移除需開挖的單元即可。但實(shí)際施工過(guò)程中,隧洞的開挖施工工序十分繁雜,涉及鉆孔、爆破、掛網(wǎng)噴混、錨桿支護(hù)、灌漿和襯砌施工等。而在有限元法計(jì)算中,襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)施工模擬尤為重要,特別是襯砌單元激活的時(shí)機(jī),如果在開挖區(qū)單元移除前激活不符合真實(shí)工程的施工工序,實(shí)際襯砌施工時(shí)巖體應(yīng)力已有部分釋放；而如果在單元移除后激活,則應(yīng)力早已完全釋放,襯砌起不到任何支撐作用。為了解決襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)問題,提出在襯砌施工前,將開挖區(qū)單元的變形模量逐漸降低40%,來(lái)模擬圍巖應(yīng)力部分釋放的實(shí)際情況。

2.1.4 非桿件結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算

泄洪洞斷面為城門洞型,無(wú)法直接按桿件結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求得截面內(nèi)力,根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008）,無(wú)法按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求得截面內(nèi)力的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),可由求得截面的應(yīng)力圖形面積確定配筋數(shù)量。

當(dāng)應(yīng)力圖形偏離線性分布較大時(shí),可按主拉應(yīng)力在配筋方向投影圖形的總面積計(jì)算鋼筋截面積 As,并按下式計(jì)算：

式中：K為承載能力安全系數(shù)；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2；T為由鋼筋承擔(dān)的拉力設(shè)計(jì)值,T=ωb,N；ω為截面主拉應(yīng)力在配筋方向投影圖形的總面積,mm2；b為結(jié)構(gòu)截面寬度,mm。

2.2 計(jì)算步驟

本次計(jì)算主要分為三個(gè)步驟：第一步為地應(yīng)力平衡,巖體主要受自身重力作用下的初始地應(yīng)力；第二步為隧洞開挖和襯砌支護(hù)；第三步計(jì)算各工況下襯砌的應(yīng)力狀態(tài)；第四步根據(jù)計(jì)算所得內(nèi)力,對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋計(jì)算。

3 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

3.1 計(jì)算模型

洞室穩(wěn)定主要受到圍巖壓力、襯砌自重、外水壓力及施工期灌漿壓力等作用影響?？紤]到泄洪洞不同部位受到的圍巖壓力及外水壓力變化較大,選擇泄洪洞對(duì)應(yīng)地下水位線最高的剖面作為最危險(xiǎn)位置來(lái)計(jì)算,見圖1。

圖1 青山水庫(kù)輸水工程系統(tǒng)布置示意圖

有限元網(wǎng)格模型見圖2,巖體和襯砌采用CPE4和CPE3平面應(yīng)變單元,共有單元40242個(gè),結(jié)點(diǎn)32895個(gè)。對(duì)模型兩側(cè)邊界約束節(jié)點(diǎn)的水平位移,模型底部邊界約束節(jié)點(diǎn)的豎直位移。

圖2 泄洪隧洞剖面網(wǎng)格模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算巖體材料采用Mohr-Covlomb模型,襯砌材料采用線彈性模型。隧道洞身襯砌采用C35 混凝土,軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=16.7 N/mm2,軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t=15.7 N/mm2,混凝土彈性模Ec=3.15×104N/mm2。鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋,抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=360 N/mm2,抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy'=360 N/mm2。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告,巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值

續(xù)表1

4 計(jì)算成果分析

4.1 天然地應(yīng)力場(chǎng)

開挖前巖體地應(yīng)力平衡結(jié)果見圖3,豎向應(yīng)力基本與埋深相關(guān),且應(yīng)力過(guò)渡平順。

圖3 開挖前巖體豎向應(yīng)力分布（單位：Pa）

4.2 開挖后計(jì)算結(jié)果

隧洞開挖后,最大拉應(yīng)力為0.38MPa,位于泄洪洞底部,隧洞的主要變形方向是洞底向上的回彈變形及洞頂?shù)南蛳滤葑冃?主要原因?yàn)閲鷰r開挖卸荷造成向臨空面變形,符合一般規(guī)律,而且最大變形較小,最大拉應(yīng)力未超過(guò)圍巖允許承載力,因此隧洞開挖后較穩(wěn)定,具體見圖4。

圖4 隧洞開挖后最大主應(yīng)力分布（單位：Pa）

（3）襯砌計(jì)算結(jié)果

①運(yùn)行工況

圖5 檢修工況下隧洞襯砌最大主應(yīng)力分布圖（單位：Pa）

②施工工況

圖6 施工工況下隧洞襯砌最大主應(yīng)力分布圖（單位：Pa）

洞式溢洪道和泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)及變形趨勢(shì)基本相同,隧洞襯砌的邊墻大部分區(qū)域都處于受壓狀態(tài),局部出現(xiàn)較小拉應(yīng)力,頂拱全部為受壓狀態(tài),底板出現(xiàn)范圍較大的拉應(yīng)力區(qū)域,襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果具體見表2。

4.3 配筋計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算所得各工況下襯砌的應(yīng)力狀態(tài),按主拉應(yīng)力在配筋方向投影圖形的總面積計(jì)算鋼筋截面積。隧洞拉應(yīng)力主要分布于襯砌結(jié)構(gòu)的2個(gè)底角部及側(cè)墻,因此,配筋計(jì)算按頂拱、腰部、底板分別進(jìn)行應(yīng)力配筋。由鋼筋承擔(dān)的拉力設(shè)計(jì)值根據(jù)應(yīng)力路徑積分求出,該配筋具體方法詳見2.1.4節(jié)。

在配筋計(jì)算過(guò)程中,運(yùn)行工況為基本組合承載力安全系數(shù)K取1.2,施工工況為偶然組合承載力安全系數(shù)K取1.0,計(jì)算配筋表，見表3。

表2 襯砌應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表3 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)配筋表

4.4 配筋結(jié)果對(duì)比

將有限元法計(jì)算結(jié)果與SDCAD邊值法進(jìn)行對(duì)比,可知邊值法計(jì)算所得配筋量明顯大于有限元法,計(jì)算結(jié)果偏不經(jīng)濟(jì),但直接采用有限元計(jì)算結(jié)果配筋則偏危險(xiǎn),實(shí)際工程中采用有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋的應(yīng)用還不多,目前仍為采用兩種計(jì)算方法所得配筋量綜合確定。

表4 隧洞襯砌配筋比較表

5 計(jì)算結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）開挖支護(hù)。泄洪隧洞開挖變形較小,最大變形位于隧洞底部,主要為開挖卸荷后底板向上的應(yīng)力回彈,最大拉應(yīng)力出現(xiàn)于隧洞底部,最大拉應(yīng)力小于圍巖允許承載能力,不會(huì)發(fā)現(xiàn)變形破壞,洞室穩(wěn)定性良好,但開挖后需盡快做好噴錨及襯砌支護(hù)。

（2）襯砌計(jì)算。從有限元計(jì)算結(jié)果看出,襯砌較大變形區(qū)域主要位于邊墻與底板的拐角處以及底板的中部。在襯砌的邊墻及頂部大部分區(qū)域都處于受壓狀態(tài)。洞式溢洪道和泄洪洞內(nèi)力狀態(tài)和變形趨勢(shì)基本相同,都在底板出現(xiàn)局部較大的拉應(yīng)力區(qū)域。

（3）配筋計(jì)算。通過(guò)計(jì)算,運(yùn)行工況為控制工況,配筋計(jì)算采用運(yùn)行工況結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。采用SDCAD軟件中邊值法計(jì)算的配筋量較有限元大很多,計(jì)算結(jié)果偏于不經(jīng)濟(jì),但考慮到有限元計(jì)算配筋結(jié)果在實(shí)際工程中應(yīng)用還不多,隧洞襯砌最終配筋量,需結(jié)合兩種計(jì)算結(jié)果綜合確定。