齊 坤

(遼寧觀音閣水力發(fā)電有限責任公司,遼寧 本溪 117100)

1 工程背景

大風口水庫位于遼寧省綏中縣前衛(wèi)鎮(zhèn)境內(nèi)的石河中上游，壩址以上河長38.7 km，集雨面積251 km2，為大(2)型水利樞紐工程。水庫按照100年一遇洪水標準設(shè)計，5000年一遇洪水標準校核，設(shè)計洪水位113.66 m，校核洪水位119.48 m。水庫的主要建筑物為大壩、溢洪道、輸水洞。為了解決綏中電廠的供水問題，需要新建一條輸水洞。經(jīng)過選址比對，擬建的輸水洞位于大壩右側(cè)，與原輸水洞平行布置。輸水隧洞主要由進口明渠、豎井、洞身段、明管段以及出口壓力箱構(gòu)成，全長約255 m。其中，洞身段為馬蹄型有壓隧洞。

2 有限元計算模型

2.1 有限元模型的構(gòu)建

本文研究以大風口水庫新建輸水隧洞洞身段D4標段為工程背景進行有限元計算模型的構(gòu)建，利用FLAC有限元軟件對該洞段隧洞拱頂空洞缺陷襯砌結(jié)構(gòu)在地震荷載下的動力響應特征進行數(shù)值模擬計算[1]。該洞段采用全斷面開挖支護的施工方式，該段隧洞為馬蹄型斷面，斷面尺寸為4.2 m×4.0 m，襯砌混凝土的強度為C30。由于研究洞段周圍的地層結(jié)構(gòu)相對比較單一，因此研究中假定隧道沿軸線方向的巖土體性質(zhì)變化不大，因此可以將研究的問題簡化為平面應變問題，故采用平面應變法進行計算[2]。鑒于模型的邊界條件會對計算結(jié)果產(chǎn)生比較顯著的影響，為了減小這一影響，同時照顧模型計算的便捷性，結(jié)合相關(guān)研究理論和實際工程經(jīng)驗，模型的左右邊界取洞徑的9倍，最終確定模型的計算區(qū)域為長寬均為50 m[3]。研究洞段的襯砌采用FLAC有限元軟件中的liner單元進行模擬，周邊巖土體單元的最小尺寸為0.2 m，最大單元尺寸為1.0 m，襯砌單元和土體單元采用直接相連的方式，同時不考慮隧洞結(jié)構(gòu)本身和地基土層之間可能產(chǎn)生的滑移和脫離[4]。整個有限元模型劃分為15 675個網(wǎng)格計算單元，16 545個計算節(jié)點。網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 模型網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 模型的邊界條件

在利用有限差分法進行動力問題求解過程中，系統(tǒng)提供了自由場邊界以及靜態(tài)邊界兩種邊界條件[5]。針對本次研究在模型底部垂直入射地震波的實際情況，在模型的底部采用靜態(tài)邊界；模型的側(cè)面必須要考慮沒有結(jié)構(gòu)情況下的自由場運動，因此采用自由邊界條件。

2.3 地震波的過濾和校正

本次研究中選用的是1840年采集于美國的EL-Centro地震記錄。在計算過程中，為了提高計算效率，首先需要濾掉地震波中的高頻部分，同時對加速度時程曲線進行必要的基線校正。研究中采用SeimoSignal軟件進行上述兩項工作。同時，為了節(jié)省計算時間，研究中采用地震波的歷時為6.0 s。

2.4 計算工況

根據(jù)相關(guān)研究成果，地下洞室結(jié)構(gòu)襯砌空洞的縱向長度和高度對動力響應特征的影響不明顯。因此，本研究主要考慮空洞缺陷本身的形狀和環(huán)向長度。結(jié)合隧洞尺寸和相關(guān)研究成果，設(shè)計了0.8 m、0.6 m、0.4 m和0.2 m四個空洞環(huán)向長度，并記為工況1、工況2、工況3和工況4。其中，每種工況分別設(shè)計長方形、橢圓形、開口形、正三角形、倒三角形、六邊形、平行四邊形、梯形、菱形等9種空洞形狀，空洞的高度均為0.2 m。

3 結(jié)果與分析

3.1 加速度分析

利用構(gòu)建的有限元模型，對不同工況、不同空洞形狀下的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)加速度值進行計算，結(jié)果如表1所示。整體上看，襯砌結(jié)構(gòu)加速度值隨著空洞尺寸的減小而逐步降低。其中，空洞形狀為長方形時的下降幅度最大，說明長方形空洞條件下襯砌結(jié)構(gòu)加速度受空洞尺寸的影響最大。六邊形和開口形空洞條件下襯砌結(jié)構(gòu)加速度下降幅度較小，說明這兩個形狀空洞的襯砌結(jié)構(gòu)加速度受空洞尺寸的影響較小。但是，開口形的整體水平較高，而六邊形的整體水平較低。其余形狀下的襯砌結(jié)構(gòu)加速度值變化特征和幅度比較接近。

3.2 位移分析

利用構(gòu)建的有限元模型，對不同工況、不同空洞形狀下的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)位移值進行計算，結(jié)果如表2所示。整體上看，襯砌結(jié)構(gòu)位移值隨著空洞尺寸的減小而逐步降低。其中，空洞形狀為開口形時的下降幅度最大，從工況1的0.73 mm下降到工況4的0.59 mm，下降幅度為20.97%。說明開口形空洞條件下襯砌結(jié)構(gòu)位移值受空洞尺寸的影響較大。其余各種空洞形狀下的襯砌位移值變化幅度較小，均不超過5%，說明大部分空洞形狀條件下襯砌結(jié)構(gòu)位移值受空洞尺寸的影響不大。

表1 不同工況下的襯砌結(jié)構(gòu)加速度計算結(jié)果 m/s2

表2 不同工況下的襯砌結(jié)構(gòu)位移計算結(jié)果 mm

3.3 應力分析

利用構(gòu)建的有限元模型，對不同工況、不同空洞形狀下的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)最大主應力值進行計算，結(jié)果如表3所示。整體上看，襯砌結(jié)構(gòu)最大主應力值隨著空洞尺寸的減小而逐步降低。其中，空洞形狀為長方形、開口形和橢圓形時最大主應力值的變化趨勢和水平相對比較接近，其余形狀空洞條件下的最大主應力值則相對較大。從具體的數(shù)值來看，平行四邊形空洞條件下的最大主應力值最大，在工況1條件下為1.826 MPa，已經(jīng)十分接近隧洞施工用混凝土1.85 MPa的極限抗拉強度值，其次是倒三角形空洞，為1.676 MPa，開口形空洞的襯砌結(jié)構(gòu)最大主應力值最小，在工況1條件下為0.689 MPa。

表3 不同工況下的襯砌結(jié)構(gòu)最大主應力計算結(jié)果 MPa

4 結(jié) 論

此次研究以大風口水庫新建輸水隧洞洞身段為工程背景，利用數(shù)值模擬的方法，研究了不同環(huán)向長度、不同形狀的拱頂空洞缺陷襯砌結(jié)構(gòu)的動力響應特征，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)襯砌結(jié)構(gòu)加速度值隨著空洞尺寸的減小而逐步降低。其中，長方形空洞缺陷襯砌結(jié)構(gòu)的加速度受空洞尺寸的影響最大。六邊形和開口形空洞空洞缺陷的襯砌結(jié)構(gòu)加速度受空洞尺寸的影響較小。但是，開口形的整體水平較高，而六邊形的整體水平較低。

(2)襯砌結(jié)構(gòu)位移值隨著空洞尺寸的減小而逐步降低。除了開口形空洞缺陷之外，大部分空洞形狀下的襯砌位移值變化幅度均不超過5%，說明襯砌結(jié)構(gòu)位移值受空洞尺寸的影響不大。

(3)襯砌結(jié)構(gòu)最大主應力值隨著空洞尺寸的減小而逐步降低。其中，平行四邊形空洞條件下的最大主應力值最大，已經(jīng)十分接近隧洞施工用混凝土極限抗拉強度值，在工程施工中應該注意。