彭小麗,王海娟,楊豐春,姜海波,李唱唱
(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832003)
地球上凍土區(qū)面積約占陸地面積的50%,我國(guó)多年凍土和季節(jié)凍土面積分別占國(guó)土面積的21.5%和53.5%[1]。隨著“一帶一路”倡議深入實(shí)施,越來(lái)越多的隧洞需要建立在我國(guó)西部寒區(qū),因此凍巖問(wèn)題已經(jīng)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。
寒區(qū)隧洞普遍受低溫、滲流共同作用而產(chǎn)生凍脹力。低溫凍融環(huán)境下,圍巖因溫度梯度進(jìn)行熱傳導(dǎo)而使得內(nèi)部圍巖溫度場(chǎng)發(fā)生改變,圍巖裂隙中的液態(tài)水狀態(tài)也發(fā)生改變。當(dāng)溫度達(dá)到冰點(diǎn)時(shí),孔隙水凍結(jié),低溫凍結(jié)作用會(huì)產(chǎn)生9%的體積膨脹。楊更社等[2]對(duì)軟巖材料進(jìn)行了在一定溫度梯度下的水熱試驗(yàn),結(jié)果表明溫度梯度是巖體水分遷移的主要?jiǎng)恿?,巖石孔隙率與凍結(jié)時(shí)間成正相關(guān)。譚賢君等[3]建立含相變的水熱耦合模型,研究了隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律和凍融圈大小。夏才初等[4]基于穩(wěn)態(tài)假定,積分推導(dǎo)了考慮圍巖、襯砌未凍水含量的最大凍結(jié)深度解析計(jì)算式,并通過(guò)溫度場(chǎng)反演獲取解析式中的參數(shù)從而求得最大凍結(jié)深度半解析解。
在凍土和凍巖的凍脹特性研究方面,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法相結(jié)合,取得了豐碩的成果。J.M.Konrad[5]提出了凍土分凝勢(shì)理論,并根據(jù)分凝勢(shì)理論研究了凍結(jié)方式對(duì)凍結(jié)特性的影響。賴遠(yuǎn)明等[6]利用黏彈性原理推導(dǎo)出凍脹力求解相關(guān)公式,并采用數(shù)值逆變換方法求出寒區(qū)隧洞凍脹力,通過(guò)算例計(jì)算表明是否考慮凍脹因素對(duì)應(yīng)力值大小存在著較大的差異。張德華等[7]、Gao等[8]、黃繼輝等[9]基于彈塑性理論,給出了不同應(yīng)力準(zhǔn)則下圍巖凍脹力的彈性力學(xué)解析解。康永水等[10]運(yùn)用應(yīng)變片法對(duì)低溫環(huán)境下飽和巖樣和干燥巖樣進(jìn)行測(cè)試,得到巖樣的低溫應(yīng)變特征,研究其凍脹融縮效應(yīng),并給出巖石凍脹變形規(guī)律。渠孟飛等[11]、嚴(yán)健等[12]為研究?jī)雒泬毫蛢鋈谌穸茸兓?,分別進(jìn)行了室內(nèi)隧道模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試試驗(yàn)。耿珂[13]、吳劍等[14]依靠數(shù)值模擬方法對(duì)隧道圍巖凍脹力和凍脹特性進(jìn)行研究。
寒區(qū)隧洞圍巖因水-冰相變的影響,在環(huán)境溫度、孔隙滲流以及應(yīng)力三者之間相互影響、相互作用下表現(xiàn)出“凍脹”現(xiàn)象,因凍脹作用而產(chǎn)生的隧洞凍害嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響隧洞的施工和運(yùn)營(yíng)。大多數(shù)學(xué)者在凍脹數(shù)值模擬中僅考慮了熱力耦合的過(guò)程,而未將孔隙水相變過(guò)程考慮在內(nèi)。鑒于此,本文以新疆某水電站引水隧洞為研究對(duì)象,使用大型有限元模擬軟件,考慮水-冰相變現(xiàn)象,建立低溫凍結(jié)環(huán)境下的圍巖瞬態(tài)溫度傳導(dǎo)模型和溫度-滲流-應(yīng)力三場(chǎng)耦合模型,計(jì)算凍結(jié)深度和凍脹力特性,并將凍脹發(fā)生前后的凍脹特性進(jìn)行對(duì)比,以此分析凍脹作用對(duì)該引水隧洞的影響,以期為引水隧洞的安全施工和運(yùn)營(yíng)提供一定指導(dǎo)。
關(guān)于圍巖凍脹模型,存在多種研究理論[15]。本文采用圍巖整體凍脹模型,認(rèn)為受溫度影響圍巖沿徑向范圍內(nèi)形成凍融圈,當(dāng)溫度降低時(shí),圍巖孔隙中的水結(jié)冰使得凍融圈整體膨脹,因此產(chǎn)生了凍脹力。
寒區(qū)隧洞凍脹力彈塑性力學(xué)解析解求解模型如圖1所示。其中,ph為圍巖凍脹后凍結(jié)層內(nèi)壁作用在襯砌上的圍巖壓力;pf為凍脹后凍結(jié)層外壁作用在未凍圍巖上的圍巖壓力;hf為凍結(jié)深度;r0、rⅠ、rⅡ分別為襯砌內(nèi)徑、襯砌外徑(或凍結(jié)層內(nèi)徑)、凍結(jié)層外徑;rⅢ為任意一處未凍結(jié)圍巖距圓心的距離。為簡(jiǎn)化計(jì)算并使解析解的值更接近實(shí)際值,需對(duì)模型作出如下假設(shè): 1)假定襯砌、已凍結(jié)巖、未凍結(jié)巖均為彈性體; 2)襯砌與已凍結(jié)圍巖為綁定接觸,凍融圈與原始圍巖為彈性接觸; 3)各材料符合各向同性假設(shè); 4)不考慮風(fēng)化破碎層以及孔隙水滲流的耦合作用。
圖1 彈性力學(xué)求解模型
區(qū)域Ⅰ為圓形隧洞襯砌,將襯砌看作受外壓ph作用的圓筒結(jié)構(gòu),根據(jù)彈性力學(xué)[16],該區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)拉密解可表示為
(1)
徑向位移
(2)
式中EⅠ、μⅠ分別為襯砌的彈性模量和泊松比。
當(dāng)r=rⅠ時(shí),襯砌外壁位移
(3)
區(qū)域Ⅱ?yàn)橐褍鼋Y(jié)圍巖,已凍結(jié)區(qū)受ph、pf共同作用,該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力拉密解為
(4)
其徑向位移
(5)
式中:rⅡ=rⅠ+hf;hf為凍結(jié)深度,m,計(jì)算時(shí)hf的取值通過(guò)對(duì)拱腰位置布置溫度測(cè)量元件進(jìn)行圍巖內(nèi)部徑向溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè),確定為2.35 m;EⅡ、μⅡ分別為已凍結(jié)巖的彈性模量和泊松比。
當(dāng)r=rⅠ時(shí),凍結(jié)圈內(nèi)壁發(fā)生的位移
(6)
當(dāng)r=rⅡ時(shí),凍結(jié)圈外壁發(fā)生的位移
(7)
區(qū)域Ⅲ為未凍結(jié)圍巖,未凍圍巖外半徑趨于無(wú)窮大時(shí),令無(wú)窮遠(yuǎn)處凍脹壓力p=0,該區(qū)域內(nèi)的拉密解為
(8)
徑向位移
(9)
式中EⅢ、μⅢ分別為未凍結(jié)圍巖的彈性模量和泊松比。
當(dāng)r=rⅡ時(shí),未凍結(jié)圍巖內(nèi)壁發(fā)生的位移
(10)
根據(jù)位移連續(xù)條件,襯砌與凍融圈內(nèi)壁(r=rⅠ)、凍融圈外壁與未凍結(jié)圍巖內(nèi)壁(r=rⅡ)需滿足的位移條件為[17]:
(11)
式中Δ1、Δ2分別為凍脹后已凍結(jié)圍巖內(nèi)壁和外壁的變形量,表達(dá)式見(jiàn)式(2)。
(12)
式中ΔV為圍巖凍脹前后的體積差。
由幾何關(guān)系,徑向凍脹變形量可表示為
(13)
式中ηr為考慮凍結(jié)過(guò)程中巖石自身約束作用的飽和凍脹率[18],表達(dá)式見(jiàn)式(14)。
ηr=2.17%n。
(14)
式中n為圍巖孔隙率。
聯(lián)立式(1)—(14),求得凍結(jié)圍巖的凍脹力彈性力學(xué)解析解為:
(15)
(16)
本文考慮到圍巖和圍巖孔隙水在凍脹受凍脹過(guò)程中巖體骨架的約束作用,對(duì)徑向凍脹變形量式(13)中的凍脹率進(jìn)行修正,并代入其他工程數(shù)據(jù)對(duì)修正后的凍脹力解析式進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證公式的正確性,如表1所示。
表1 其他凍脹力解析計(jì)算值與本文解析計(jì)算值對(duì)比
通過(guò)將如表1所示的4個(gè)文獻(xiàn)中的參數(shù)代入到本文公式中進(jìn)行計(jì)算,并與其他文獻(xiàn)中的計(jì)算值及實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,得出利用本文所推導(dǎo)的公式計(jì)算出的凍脹力理論值接近其實(shí)測(cè)值。
利用式(15)—(16),對(duì)新疆布倫口水電站引水隧洞進(jìn)口50 m處斷面進(jìn)行計(jì)算,得到凍結(jié)圈圍巖作用在襯砌上的凍脹力ph=10.856 MPa,作用在未凍結(jié)圍巖上的凍脹力為pf=4.002 MPa。將所求ph和pf值代回到式(5)、式(6)中,即可得到凍結(jié)圈圍巖受凍脹作用應(yīng)力場(chǎng)的σr和σθ分別為:
(17)
新疆布倫口水電站引水隧洞工程全長(zhǎng)20.14 km,地質(zhì)情況較為復(fù)雜。根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪,壩址區(qū)發(fā)育規(guī)模較大的斷裂主要為F1、F2、F5。引水隧洞位于高寒半干旱氣候區(qū),季節(jié)性溫差較大,雨季和旱季明顯,年降水量不大,洞址區(qū)地下水多以基巖裂隙水為主。隧洞洞址處多年平均氣溫為0.7 ℃,年最低溫度為-34.3 ℃,年最高溫度為 35.9 ℃,最冷月平均氣溫為-13.5 ℃;多年平均降水量為127.5 mm,年平均蒸發(fā)量為2 297.9 mm;最大積雪厚度約160 mm,最大凍結(jié)深度為2.35 m?,F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,沿隧洞軸線方向共計(jì)出現(xiàn)120多處結(jié)冰點(diǎn),且其凍結(jié)程度不同。隧洞平導(dǎo)進(jìn)口段部分?jǐn)嗝嬉r砌漏水產(chǎn)生凍脹,洞內(nèi)凍結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重,并且凍結(jié)的時(shí)間較長(zhǎng),影響隧洞的施工和運(yùn)營(yíng),不利于隧道的結(jié)構(gòu)安全。寒區(qū)隧洞是否發(fā)生凍脹破壞的首要因素是隧洞所處的溫度環(huán)境,研究隧洞進(jìn)口段的溫度場(chǎng)和圍巖凍脹力,是采取防凍害措施的重要依據(jù)。
寒區(qū)隧洞由于環(huán)境溫度與圍巖自身溫度之間存在一定的溫差,從而隨時(shí)間產(chǎn)生瞬態(tài)溫度傳導(dǎo),加之隧洞圍巖中裂隙等結(jié)構(gòu)面中水的存在會(huì)伴隨溫度的降低而發(fā)生相變。水冰相變影響熱傳導(dǎo)參數(shù),設(shè)定水的相變域?yàn)?-0.5 ℃,0.5 ℃),使用顯熱容法,將水-冰相變潛熱的影響等效為圍巖比熱容的變化,可構(gòu)造等價(jià)比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)[19]如下:
(18)
(19)
式(18)—(19)中:Cf、Cu分別為圍巖中水融化和凍結(jié)時(shí)圍巖比熱容;λf、λu分別為融化和凍結(jié)時(shí)熱傳導(dǎo)系數(shù);L為相變潛熱;t為圍巖溫度。
引水隧洞洞徑D=5 m,越靠近進(jìn)水口其圍巖破碎程度越高。對(duì)該引水隧洞現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)分析可知,越往隧洞內(nèi)部越不易發(fā)生凍脹[20],故選取隧洞進(jìn)口段洞深50 m處的截面作為計(jì)算斷面,對(duì)圍巖溫度場(chǎng)200 d的變化情況進(jìn)行分析。
本文采用有限元模擬軟件先對(duì)溫度場(chǎng)傳熱進(jìn)行模擬分析。在建立數(shù)值模型時(shí)根據(jù)圓形截面隧洞的對(duì)稱(chēng)性,選用隧洞斷面的一半作為計(jì)算區(qū)域,圍巖計(jì)算范圍為22.5 m×40 m,斷面總共劃分748個(gè)單元,共計(jì)803個(gè)節(jié)點(diǎn),有限元計(jì)算模型網(wǎng)格劃分及尺寸如圖2所示,圖中a、b、c3點(diǎn)分別為拱頂、拱腰、拱底數(shù)據(jù)提取處。溫度場(chǎng)傳熱過(guò)程為瞬態(tài)傳熱,計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)為200 d,每4 h設(shè)置1個(gè)增量步,共計(jì)800增量步。
(a) 模型網(wǎng)格 (b) 模型尺寸(單位: m)
根據(jù)工程地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),考慮低溫相變,圍巖初始溫度場(chǎng)為3.5 ℃,AE邊界及隧洞洞腔BC邊界的溫度取10月首次出現(xiàn)負(fù)溫至次年4月期間200 d內(nèi)各月的平均溫度,隧洞進(jìn)口段月平均溫度見(jiàn)表2,熱流邊界DF的熱流密度為0.06 W/m2,其余熱物理學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。
表2 隧洞進(jìn)口段月平均氣溫
表3 圍巖熱物理參數(shù)
瞬態(tài)溫度傳導(dǎo)200 d后隧洞圍巖溫度發(fā)展規(guī)律如圖3和圖4所示。由圖3可知,隧洞圍巖溫度場(chǎng)受洞腔內(nèi)低溫環(huán)境影響顯著,圍巖孔隙水受凍結(jié)發(fā)生相變,凍結(jié)鋒面隨著凍結(jié)時(shí)間的推移向圍巖內(nèi)部逐漸推移,表現(xiàn)為凍結(jié)區(qū)逐漸擴(kuò)大,未凍區(qū)逐漸縮小。通過(guò)路徑b—d(見(jiàn)圖2),從溫度場(chǎng)分布云圖中提取凍結(jié)深度結(jié)果,觀察凍結(jié)深度隨時(shí)間的變化規(guī)律(見(jiàn)圖4),自傳熱開(kāi)始到傳熱時(shí)間為130 d時(shí),徑向凍結(jié)深度隨凍結(jié)時(shí)間的增長(zhǎng)而增加,最大凍結(jié)深度達(dá)2.04 m,與實(shí)際測(cè)得的凍結(jié)深度2.35 m存在一定誤差,這是由于采用有限元數(shù)值模擬水冰相變瞬態(tài)傳熱過(guò)程時(shí)將圍巖默認(rèn)為各向同性介質(zhì),未考慮圍巖內(nèi)部實(shí)際存在的裂隙、節(jié)理結(jié)構(gòu),熱傳導(dǎo)系數(shù)會(huì)因結(jié)構(gòu)面的存在而受到一定影響。隨著傳熱過(guò)程進(jìn)行至130 d左右,由于環(huán)境溫度的升高,隧洞邊界同凍結(jié)鋒面溫差Δt減小,加之已凍區(qū)和未凍區(qū)圍巖導(dǎo)熱系數(shù)不同,凍結(jié)面開(kāi)始往外部移動(dòng),圍巖已凍區(qū)逐漸減小,凍結(jié)深度開(kāi)始減小。至180 d時(shí),邊界出現(xiàn)正溫,圍巖導(dǎo)熱系數(shù)增大,溫度變化加快,圍巖溫度全部變?yōu)檎郎貐^(qū)。
(a) 50 d (b) 100 d
(c) 150 d (d) 200 d
圖4 凍結(jié)深度隨時(shí)間的變化曲線
巖土體產(chǎn)生凍脹需要滿足以下3個(gè)條件: 1)凍脹敏感巖石; 2)凍結(jié)溫度和時(shí)間; 3)初始水分或補(bǔ)給水分。因此,在計(jì)算凍脹力時(shí)溫度傳導(dǎo)和孔隙滲流也需要考慮在內(nèi)??紤]到工程實(shí)際,圍巖孔隙水在低溫凍結(jié)條件下發(fā)生相變產(chǎn)生凍脹,凍結(jié)鋒面在圍巖內(nèi)部移動(dòng),并且隧洞凍脹實(shí)際邊界條件復(fù)雜,是一種強(qiáng)非線性問(wèn)題。式(17)求得的凍脹作用下的應(yīng)力場(chǎng)σr和σθ,可通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求得σx和σy,進(jìn)而解得主應(yīng)力。但基于一定假設(shè)基礎(chǔ)的理論解計(jì)算存在一定誤差,且無(wú)法直接反映出圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)。為反映圍巖的應(yīng)力狀態(tài)并求得更接近于真實(shí)值的近似解,采用有限元軟件對(duì)引水隧洞進(jìn)行凍脹模擬,分析圍巖凍脹特性。
建立考慮低溫水冰相變的水熱力三場(chǎng)耦合的凍脹特性計(jì)算模型(見(jiàn)圖2),對(duì)模型左右邊界進(jìn)行水平約束,下部邊界進(jìn)行豎向約束,上邊界無(wú)約束,并在此基礎(chǔ)上添加力學(xué)和滲流參數(shù),進(jìn)行多場(chǎng)耦合計(jì)算。但由于本文使用的有限元分析軟件不能建立直接的溫度-滲流-應(yīng)力耦合關(guān)系,故采用溫度場(chǎng)對(duì)滲流-應(yīng)力耦合的影響來(lái)建立間接瞬態(tài)耦合模型進(jìn)行凍脹計(jì)算??紤]低溫水-冰相變,水的相變域?yàn)?-0.5 ℃,0.5 ℃),相變潛熱Lf=333.56 kJ/kg,熱膨脹系數(shù)為8×10-6。假定巖體為彈塑性材料,服從Mohr-Coulumb屈服準(zhǔn)則,根據(jù)相關(guān)規(guī)范和現(xiàn)場(chǎng)資料,計(jì)算所需的其他相關(guān)參數(shù)如表4所示。
表4 隧洞圍巖力學(xué)計(jì)算參數(shù)
圍巖受凍脹200 d過(guò)程中的應(yīng)力及位移變形如圖5和圖6所示,從數(shù)值分析軟件中提取受凍脹前后隧洞拱頂、拱腰、拱底的應(yīng)力及位移,對(duì)比變化如表3所示。觀察圖5可知,隧洞受凍脹后,拱腰周?chē)鷩鷰r出現(xiàn)應(yīng)力最大值,200 d內(nèi)最大拱腰應(yīng)力達(dá)0.635 MPa,拱頂和拱底位置應(yīng)力較小。對(duì)比凍脹前后各部位應(yīng)力值,拱頂應(yīng)力由凍脹前的0.085 MPa增大到0.392 MPa,拱腰應(yīng)力從0.604 MPa減小到0.527 MPa,拱底應(yīng)力由0.115 MPa增加到0.399 MPa。凍脹后圍巖拱頂、拱底應(yīng)力值呈增大趨勢(shì),拱腰呈減小趨勢(shì),各部位變化情況見(jiàn)表5。
(a) 50 d (b) 100 d (c) 150 d (d) 200 d
(a) 凍脹前水平位移 (b) 200 d水平位移 (c) 凍脹前豎直位移 (d) 200 d豎直位移
表5 凍脹前后圍巖應(yīng)力及變形對(duì)比
觀察圖6(a)—(b)可知,受凍脹影響,隧洞拱頂和拱底處水平位移因受到水平方向的位移約束無(wú)明顯變化;從有限元分析軟件后處理中提取凍脹前后隧洞拱腰周?chē)乃轿灰?,呈水平收縮趨勢(shì),變?yōu)?0.36 mm。由圖6(c)—(d)可知,圍巖拱頂豎直方向上位移發(fā)生沉降,位移由凍脹前的-9.59 mm變?yōu)閮雒浐蟮?8.41 mm,豎向位移變化量為1.18 mm。
綜上,受凍脹影響,圍巖拱頂、拱底應(yīng)力呈增大的趨勢(shì),拱腰應(yīng)力逐漸減小,洞壁變形呈收縮趨勢(shì)。隨凍結(jié)時(shí)間的增加,凍脹引發(fā)的凍深變化、應(yīng)力變化和位移變形會(huì)進(jìn)一步使得圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生凍害,進(jìn)而威脅圍巖穩(wěn)定性。
利用彈性力學(xué)理論對(duì)圍巖凍脹力解析解進(jìn)行計(jì)算,基于有限元分析軟件,考慮水-冰相變下的溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)相互作用,建立有限元模型對(duì)凍脹特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析計(jì)算,得出如下結(jié)論:
1)引水隧洞圍巖在長(zhǎng)時(shí)間的低溫作用下,孔隙水凍結(jié)發(fā)生相變,隨時(shí)間的推移,圍巖凍結(jié)區(qū)增大,凍結(jié)深度隨之增加,低溫凍結(jié)200 d內(nèi)最大凍結(jié)深度為2.04 m。由于凍結(jié)深度變化速度受?chē)鷰r溫度梯度及環(huán)境溫度影響,130 d后凍結(jié)深度逐漸減小直至全部變?yōu)檎郎貐^(qū)。
2)在相變引起的凍脹作用下,拱頂應(yīng)力由凍脹前的0.085 MPa增大到0.392 MPa,拱腰應(yīng)力從0.604 MPa減小到0.527 MPa,拱底應(yīng)力由0.115 MPa增加到0.399 MPa,對(duì)比凍結(jié)前后應(yīng)力狀態(tài),拱頂、拱腰、拱底的變化幅度分別為361.2%、-12.7%、247.0%。拱腰處水平位移變?yōu)?0.36 mm,表現(xiàn)為水平收縮,圍巖拱頂豎直方向發(fā)生沉降,產(chǎn)生1.18 mm變化量。
寒區(qū)水工隧洞在低溫水-冰相變影響下凍深逐漸增大,圍巖的應(yīng)力和位移受低溫凍結(jié)作用影響發(fā)生明顯改變,為保證圍巖穩(wěn)定性和隧洞的安全運(yùn)營(yíng),應(yīng)及時(shí)對(duì)隧洞施加合理的保溫和支護(hù)措施。因此,在本文對(duì)圍巖凍脹特性研究基礎(chǔ)上,后續(xù)可通過(guò)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法對(duì)保溫層和襯砌進(jìn)行進(jìn)一步研究。