范俊強(qiáng)

(運(yùn)城市水利勘察院有限公司，山西 運(yùn)城 044000)

水利工程中常遇到工程地質(zhì)環(huán)境較復(fù)雜工況，對工程建設(shè)施工具有負(fù)面影響，例如高地應(yīng)力[1]、高埋深[2]、高海拔[3]、高地溫[4]等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。為此，針對性解決復(fù)雜環(huán)境工況中水利工程安全穩(wěn)定性加固設(shè)計(jì)、規(guī)律分析等具有重要指導(dǎo)意義。姚可夫等[5]、陶磊等[6]、王俊[7]根據(jù)工程建設(shè)中應(yīng)力、變形等參數(shù)變化，設(shè)計(jì)布設(shè)有微震、聲發(fā)射等監(jiān)測設(shè)備，根據(jù)微觀數(shù)據(jù)監(jiān)測過程變化規(guī)律，為工程預(yù)判失穩(wěn)及針對性加固設(shè)計(jì)等提供重要參照。另一方面，復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中最終發(fā)生失穩(wěn)破壞的仍然與工程巖土體有關(guān)，因而一些學(xué)者根據(jù)工程現(xiàn)場采樣、制樣，開展室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)研究，分析巖土體在滲透試驗(yàn)、力學(xué)破壞試驗(yàn)中特征，為研討巖土力學(xué)穩(wěn)定性提供佐證[8-9]。數(shù)值計(jì)算是一種直接性、高效性研究手段，根據(jù)工程受擾動部位巖土體狀態(tài)，建立相應(yīng)計(jì)算模型，施加邊界荷載，計(jì)算獲得擾動巖土體在時空中變化與分布特征，極大豐富了復(fù)雜耦合工況中工程穩(wěn)定性研究成果[9-10]。本文根據(jù)晉北水庫引水隧洞穿越高地溫環(huán)境下，圍巖擾動與布設(shè)襯砌過程中仿真模型，獲得應(yīng)力、位移變化特征，探討TM耦合效應(yīng)下熱作用、擾動作用對圍巖穩(wěn)定性影響。

1 工程概況

1.1 工程資料

晉北黃河支流考慮建設(shè)水庫樞紐工程，但由于地表引水渠道設(shè)施流量較低、坡度較緩等現(xiàn)象，考慮建設(shè)一深埋引水隧洞，但根據(jù)勘察得知水庫引水隧洞所在地區(qū)屬高地溫，最大溫度超過100 ℃，設(shè)計(jì)隧洞斷面直徑為2.8 m，隧洞渠首流量控制為15 m3/s。該水庫設(shè)計(jì)庫容量為1.5億m3，承擔(dān)著防洪、灌溉、蓄水等作用，所涉及的樞紐工程包括有溢洪道、防洪大壩、引水隧洞等結(jié)構(gòu)，其中溢洪道圍堰頂部高程為85.8 m，壩體軸線長度為658.0 m，頂寬為3.8 m，壩體設(shè)置有高度為1.5 m的防浪墻，整體壩身滲透活躍性較穩(wěn)定，歸功于溢洪道邊墻整體穩(wěn)定性以及壩體自身防滲系統(tǒng)安全性。隧洞乃是水庫水資源調(diào)度的重要一環(huán)，為提升水庫水資源調(diào)控水平，在隧洞與水庫間設(shè)置有一中型水閘，閘室高程為75.8 m，采用弧形鋼閘門，直徑為3.2 m，建設(shè)有橫、縱連系梁作為閘墩加固結(jié)構(gòu)，其中橫梁截面為半圓弧型，高度為1.2 m，縱梁尺寸為3.5 m×3.0 m，閘室基礎(chǔ)采用灌注樁設(shè)計(jì)，從閘墩、閘室靜力穩(wěn)定性角度考慮，安全性均較佳。引水隧洞作為穿越高地溫條件水利工程，全長252 m，埋深超過100 m，圍巖體主要為大理巖，其圍巖穩(wěn)定性乃是工程開挖施工重要因素，因而設(shè)計(jì)部門研究采用支護(hù)襯砌方式對圍巖進(jìn)行加固，降低工程施工行為以及后期隧洞運(yùn)營階段對圍巖應(yīng)力穩(wěn)定場的影響。目前，由于引水隧洞溫度場熱效應(yīng)與圍巖應(yīng)力擾動效應(yīng)耦合下，圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)等均出現(xiàn)不穩(wěn)定應(yīng)力，局部區(qū)域甚至出現(xiàn)張拉應(yīng)力，此對引水隧洞工程長期穩(wěn)定運(yùn)營具有嚴(yán)重影響，故而本文依據(jù)隧洞穿越高地溫條件下的圍巖熱固(TM)耦合場特征，分析圍壓力學(xué)穩(wěn)定性影響特征，為工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1.2 工程仿真

為分析方便，本文對隧洞K1+125～K1+175斷面圍巖開展仿真分析，模擬隧洞開挖時間為120 d，圍壓所在斷面長度為50 m，埋深為150 m，圍巖應(yīng)力影響范圍分布為30 m×30 m，矩形截面，此亦為模擬計(jì)算圍巖應(yīng)力影響分布范圍。襯砌層厚度為0.5 m，圍巖截面溫度設(shè)定為100 ℃，襯砌溫度為20 ℃，采用ABAQUS對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元網(wǎng)格有溫度場、靜力場等，共獲得網(wǎng)格單元數(shù)12 580個，節(jié)點(diǎn)數(shù)86 872個[11-12]，其有限元模型如圖1所示。

圖1 隧洞圍巖有限元模型

由于不同溫度下圍巖熱效應(yīng)有所差異，所選定的溫度效應(yīng)參數(shù)也會有所影響，因而本文研究TM耦合下圍巖力學(xué)特征主要通過變換溫度場參數(shù)來模擬計(jì)算，按照引水隧洞所處高地溫環(huán)境，本文溫度場設(shè)定溫度分別為25 ℃、40 ℃、55 ℃、70 ℃、85 ℃、100 ℃，每個溫度場下溫度系數(shù)、圍巖物理力學(xué)參數(shù)均有所差異，按照巖石熱效應(yīng)下實(shí)測參數(shù)取值。

2 圍巖TM耦合下應(yīng)力位移場時間特征

2.1 應(yīng)力變化特征

根據(jù)工程環(huán)境耦合狀態(tài)計(jì)算隧洞圍巖應(yīng)力場隨時間變化特征，本文選取圍巖拱頂部位距離0 m(A點(diǎn))、10 m(B點(diǎn))、20 m(C點(diǎn))、30 m(D點(diǎn))、40 m(E點(diǎn))、50 m(F點(diǎn))的特征點(diǎn)應(yīng)力隨時間分布特征，如圖2所示。從圖中可看出，拱頂各特征點(diǎn)均為張拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為F點(diǎn)，達(dá)3.4 MPa；當(dāng)時間遞進(jìn)時，應(yīng)力呈“降低-波動-穩(wěn)定”三階段特征，當(dāng)與拱頂距離愈遠(yuǎn)時，各階段應(yīng)力持續(xù)或影響時間更久，B點(diǎn)應(yīng)力降低階段持續(xù)16 d，而D、F點(diǎn)同一階段結(jié)束時間分別在47 d、68 d。分析各階段應(yīng)力變化特征可知，在應(yīng)力降低階段，距離愈遠(yuǎn)，降幅愈小，A點(diǎn)該階段應(yīng)力降幅為8.2%，而C、E、F點(diǎn)降幅分別為5.9%、5.3%、4.7%，表明圍巖應(yīng)力隨時間變化特征受斷面距離影響，距離愈大，則圍巖受擾動影響愈??；筆者分析認(rèn)為應(yīng)力階段降低主要是初始開挖產(chǎn)生的較大拉應(yīng)力集中在圍巖上，但隨施工進(jìn)行，其拉應(yīng)力分布面會逐步擴(kuò)散，表現(xiàn)在拉應(yīng)力值降低態(tài)勢[13-14]。當(dāng)進(jìn)入應(yīng)力波動階段后，此時圍巖已開始設(shè)置襯砌，拉應(yīng)力傳遞至襯砌結(jié)構(gòu)上，降低了圍巖拉應(yīng)力集中效應(yīng)，此過程在各距離特征點(diǎn)中均有體現(xiàn)，且各特征點(diǎn)在該階段波動幅度基本相近，A、C、E點(diǎn)波動幅度分別為19.5%、20.1%、20.1%。當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，此時施工擾動圍巖引起的張拉應(yīng)力由圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)，拉應(yīng)力處于逐步穩(wěn)定狀態(tài)，且隨距離愈遠(yuǎn)，拉應(yīng)力穩(wěn)定值愈大，此與襯砌效應(yīng)對遠(yuǎn)距離特征點(diǎn)影響較弱有關(guān)，A特征點(diǎn)應(yīng)力穩(wěn)定在1.57 MPa，而B、D、F特征點(diǎn)應(yīng)力較前者分別增大了4.6%、10.9%、28.1%，當(dāng)與拱頂距離增大10 m，各特征點(diǎn)受襯砌效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力穩(wěn)定值平均增大5.2%。

圖2 特征點(diǎn)應(yīng)力隨時間分布特征

2.2 位移變化特征

圖3為圍巖拱頂距離上各特征點(diǎn)位移隨時間變化關(guān)系。從圖中可知，各特征點(diǎn)位移隨時間為“緩增-陡增-穩(wěn)定”三階段變化特征，當(dāng)距離愈大時，各階段持續(xù)時間更長，受圍巖擾動及襯砌效應(yīng)更弱。在位移緩增階段，A～F點(diǎn)持續(xù)時間為3～66 d，以距離愈遠(yuǎn)特征點(diǎn)位移值更大，A點(diǎn)緩增階段達(dá)0.73 mm，而C、E、F點(diǎn)位移值較前者分別增大了6.5%、7.8%、15.2%，該階段主要受初期施工擾動影響，位移值處于緩慢上升過程；當(dāng)施加襯砌后，在短期內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)位移變化與圍巖位移傳遞，造成圍巖各特征點(diǎn)位移陡增，特征點(diǎn)B、D、F陡增幅度分別可達(dá)1.92倍、1.67倍、1.80倍。在此之后，襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，產(chǎn)生較好襯砌效應(yīng)，此時位移值處于較穩(wěn)定狀態(tài)，且以距離較遠(yuǎn)的特征點(diǎn)位移穩(wěn)定值更大，F(xiàn)點(diǎn)位移穩(wěn)定值為2.7 mm，而A、C、E點(diǎn)較之前者分別減少了17.2%、8.0%、3.5%，距離較遠(yuǎn)的特征點(diǎn)進(jìn)入位移穩(wěn)定階段的時間更為滯后，此與襯砌結(jié)構(gòu)在圍巖斷面距離上傳遞效果乃是減弱的過程。

圖3 特征點(diǎn)位移隨時間分布特征

3 圍巖TM耦合下應(yīng)力位移場溫度效應(yīng)

為分析穿越高地溫環(huán)境下圍巖靜力場溫度效應(yīng)，設(shè)計(jì)開展不同溫度環(huán)境下的圍巖靜力場分析，評價(jià)溫度熱作用對圍巖應(yīng)力、位移影響特征。

3.1 應(yīng)力變化特征

根據(jù)工況耦合計(jì)算獲得圍巖不同溫度下應(yīng)力變化特征，如圖4所示。從圖中可看出，圍巖主應(yīng)力與溫度為負(fù)相關(guān)關(guān)系，在相同時間15 d時溫度25 ℃下最大主應(yīng)力為3.24 MPa，而溫度55 ℃、85 ℃、100 ℃主應(yīng)力相比前者分別減少了5.3%、9.6%、15.5%，即溫度愈高，圍巖主應(yīng)力愈低。分析認(rèn)為，圍巖開挖擾動形成的應(yīng)力重分布在溫度較高環(huán)境下，更快達(dá)到平衡狀態(tài)，無顯著張拉應(yīng)力集中效應(yīng)，主應(yīng)力穩(wěn)定性更佳[15-16]。分析各溫度環(huán)境下應(yīng)力隨時間變化可知，主應(yīng)力均呈先減后增，最終穩(wěn)定變化，且各溫度工況下應(yīng)力最低點(diǎn)均對應(yīng)時間5 d，表明溫度改變，襯砌結(jié)構(gòu)對主應(yīng)力影響并不減弱；各溫度工況在穩(wěn)定階段均處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖達(dá)到支護(hù)效果后，主應(yīng)力較穩(wěn)定，溫度僅影響穩(wěn)定階段主應(yīng)力水平，但不影響主應(yīng)力變化態(tài)勢，該階段中熱作用每增大15 ℃，主應(yīng)力平均降幅為4.2%。各溫度工況進(jìn)入應(yīng)力穩(wěn)定階段節(jié)點(diǎn)基本一致，在20 d，從主應(yīng)力最低點(diǎn)升高至穩(wěn)定階段，溫度愈高，則增幅愈??；表明溫度熱效應(yīng)對應(yīng)力變化態(tài)勢過程中幅度差異影響較小。

圖4 圍巖不同溫度下應(yīng)力變化特征

3.2 位移變化特征

圖5為不同溫度環(huán)境下圍巖位移隨時間變化特征。從圖中可看出，各工況下圍巖位移呈“遞增-穩(wěn)定”兩階段特征，當(dāng)溫度愈高，則位移愈大，在20 d時，溫度25 ℃下位移為0.35 mm，而溫度為55 ℃、100 ℃時位移較之前者分別增長了14.5%、57.0%，表明圍巖施工期位移與溫度為正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)初步由初期非穩(wěn)定狀態(tài)逐步產(chǎn)生加固效果后，圍巖斷面上位移逐步穩(wěn)定，各溫度工況下進(jìn)入位移穩(wěn)定階段時間節(jié)點(diǎn)基本一致，為第45天，在該階段后位移波動幅度較小，各溫度工況最大波動幅度不超過1%。在位移穩(wěn)定階段中溫度25 ℃位移為0.37 mm，而溫度為55 ℃、85 ℃、100 ℃時位移較之前者分別有19.5%、43.9%、61.2%漲幅，從整體變化可知，溫度增大15 ℃，穩(wěn)定階段中位移水平可提高10.6%。綜上分析可知，溫度改變，圍巖受擾動位移變化基本無顯著差異，不論是階段節(jié)點(diǎn)抑或是變化態(tài)勢，但溫度影響了位移水平，且為正向促進(jìn)效應(yīng)。

圖5 圍巖不同溫度下位移變化特征

4 結(jié) 論

本文主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)各特征點(diǎn)應(yīng)力呈“應(yīng)力降低-應(yīng)力波動-應(yīng)力穩(wěn)定”三階段變化；應(yīng)力降低階段，距離愈遠(yuǎn)，降幅愈?。粦?yīng)力穩(wěn)定階段，距離愈遠(yuǎn)，穩(wěn)定拉應(yīng)力愈大，拱頂特征點(diǎn)距離增大10m，穩(wěn)定拉應(yīng)力平均增幅5.2%；

(2)各特征點(diǎn)位移隨時間為“緩增-陡增-穩(wěn)定”三階段變化，距離愈大，則圍巖擾動及襯砌效應(yīng)愈弱、進(jìn)入位移穩(wěn)定階段更為滯后。

(3)圍巖主應(yīng)力水平與溫度為負(fù)相關(guān)，但溫度變化不影響襯砌效果，也不影響主應(yīng)力變化態(tài)勢，僅影響主應(yīng)力量值水平，溫度每增大15 ℃，穩(wěn)定階段主應(yīng)力平均降幅為4.2%。

(4)溫度愈高，圍巖位移愈大，但圍巖位移進(jìn)入穩(wěn)定階段時間節(jié)點(diǎn)均為第45天，溫度增大僅改變了位移量值，增大15 ℃，穩(wěn)定階段中位移水平可提高10.6%。