孔 敏，華 中，陳 晶

(淮安市淮河水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 漣水 223400)

水電站作為區(qū)域內(nèi)重要水利樞紐工程，所承擔(dān)的作用與功能眾多，確保水電站運(yùn)營穩(wěn)定性是水利工程師長期致力研究的課題[1-2]。引水隧洞作為水電站的重要組成部分，其開挖支護(hù)均影響著水電站運(yùn)營年限內(nèi)安全穩(wěn)定，研究引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)、圍巖材料穩(wěn)定性是反映水電站安全運(yùn)營的重要方面[3-5]。孫洪亮[6]、雷震霄[7]、翁永紅[8]等根據(jù)物理模型試驗(yàn)理論，設(shè)計(jì)室內(nèi)水電站等水利設(shè)施的原型試驗(yàn)，開展相應(yīng)的運(yùn)營工況研究，研究包括引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)在內(nèi)的多個(gè)水工建筑失穩(wěn)破壞特征，進(jìn)而提升實(shí)際水利工程設(shè)計(jì)水平。物理模型試驗(yàn)成本較高，且試驗(yàn)周期較長，邵珠山[9]、張勝佳[10]、馮世國[11]等開始根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)材料特征，開展圍巖流變力學(xué)試驗(yàn)，通過聲發(fā)射、微震以及理論模型等手段，研究獲得水利工程中襯砌結(jié)構(gòu)材料的流變力學(xué)特性，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)參數(shù)。數(shù)值建模作為水利工程中重要研究手段，可根據(jù)實(shí)際工程開展仿真計(jì)算，并施加相應(yīng)的邊界荷載，分析長運(yùn)營區(qū)間內(nèi)模型應(yīng)力、變形變化特征，可預(yù)演工程運(yùn)營狀態(tài)[12-14]。本文根據(jù)蘇北擬建水電站引水隧洞實(shí)際工況，設(shè)計(jì)開展襯砌結(jié)構(gòu)在10 a運(yùn)營區(qū)間內(nèi)安全穩(wěn)定性研究，為實(shí)際建設(shè)水電站引水隧洞提供計(jì)算參考。

1 工程概況

蘇北淮河上游支流考慮建設(shè)一水電站，該水利樞紐工程可承擔(dān)區(qū)域內(nèi)發(fā)電、蓄水、防洪及水資源調(diào)度等多方面功能，為區(qū)域水利資源利用提供重要載體。擬建水電站設(shè)計(jì)攔水大壩頂高程為125.6 m，上游蓄水庫最大庫容超過1500萬m3，設(shè)計(jì)最大洪水流量為38 m3/s，大壩防滲系統(tǒng)包括有防滲墻與止水面板，其中防滲墻采用膠凝材料混合料為原料砌筑制作，大壩表面最大滲流量不超過0.01 m3/s。壩體上、下游坡度分別為1/2、1/3，設(shè)置有多坡度壩肩平臺，以此降低水流沖擊動(dòng)力影響。水電站建設(shè)有大型泄洪閘水利設(shè)施，泄流消能時(shí)上、下游水位分別為14 m、12 m，設(shè)計(jì)為1孔15 m氣袋升降式翻板閘，布設(shè)有防洪翼墻，翼墻墻頂高程14.5 m，墻后填土與墻頂齊平，填土為粉砂。 泄洪閘下游建設(shè)有消能池，池中均勻布設(shè)有消能坎，坎高為0.2～0.6 m，降低水流對下游水利設(shè)施的沖蝕效應(yīng)。該水電站另建設(shè)有輸水灌渠與上游引水隧洞相連，其中輸水灌渠采用特征混凝土材料作為襯砌結(jié)構(gòu)，每間隔2.5 m進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)搭接，防滲效果較佳，灌渠下部鋪設(shè)有45 cm厚度的墊層，渠道底寬設(shè)計(jì)為6.8 m，深度為5.8 m，水深平水期控制在4.8 m，渠首流量不超過0.6 m3/s，該輸水灌渠惠及下游超過6.67萬hm2農(nóng)田，確保了枯水期農(nóng)業(yè)灌溉用水流量。目前，該水電站還處于規(guī)劃設(shè)計(jì)中，但由于輸水灌渠運(yùn)營穩(wěn)定性、水力發(fā)電可靠性以及上游泄洪設(shè)施運(yùn)營安全性均與水電站引水隧洞密切相關(guān)，因而工程設(shè)計(jì)部門考慮重點(diǎn)對該水利樞紐工程引水隧洞進(jìn)行研究分析，探討引水隧洞在未來運(yùn)營過程中安全穩(wěn)定性，特別是運(yùn)營10 a期限內(nèi)。

根據(jù)對引水隧洞斷面地質(zhì)狀況調(diào)查得知，設(shè)計(jì)斷面如圖1所示，隧洞施工管片拼裝與支護(hù)結(jié)構(gòu)依次進(jìn)行，襯砌縫寬為30 mm，斷面直徑12 400 mm，壁厚度控制為550 mm。引水隧洞工程所在基巖層為砂礫石、角礫石等碎屑石，土層包括有粉土、粉砂土及黏土三層，最厚層為粉土層，最厚處為4.2 m，粉砂土含水量中等，承載力較佳。

圖1 引水隧洞設(shè)計(jì)斷面圖(單位：mm)

2 研究方法

本文研究對象針對引水隧洞其中施工段40 m范圍內(nèi)，上部范圍為表面覆蓋土層，下部范圍為隧洞底面向下20 m，采用有限元仿真計(jì)算引水隧洞斷面襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，設(shè)定襯砌斷面底部具有三向約束。由于隧洞管片以及襯砌結(jié)構(gòu)均為混凝土，因而以六面體微單元作為數(shù)值模型計(jì)算網(wǎng)格劃分單元[15-16]，所建立的計(jì)算模型如圖2所示，共劃分獲得單元網(wǎng)格56 432個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)36 254個(gè)，所有土層參數(shù)均取現(xiàn)場原位或室內(nèi)土工試驗(yàn)實(shí)測值。

圖2 隧洞計(jì)算模型

3 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

3.1 運(yùn)營第10年應(yīng)力模擬結(jié)果

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果獲得各斷面上在第10年應(yīng)力特征，如圖3所示，其中各斷面分別代表距離襯砌表面距離，各斷面間距為40 cm，計(jì)算范圍取襯砌斷面往巖土層中延伸160 cm。另為分析隧洞土層含水量對襯砌結(jié)構(gòu)斷面應(yīng)力影響，分別設(shè)定土層含水量為15%、20%。從圖3可看出，當(dāng)斷面距襯砌結(jié)構(gòu)愈遠(yuǎn)，則襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)壓應(yīng)力愈大，這種變化特征在兩個(gè)含水量研究工況中均是如此，在含水量15%下時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)表面外側(cè)的最大壓應(yīng)力為2.89 MPa，而當(dāng)間距逐步增大80 cm、160 cm，至3-3、5-5斷面后，相應(yīng)的最大壓應(yīng)力相比前者分別增長了50.2%、103.5%，斷面平均每遠(yuǎn)離襯砌結(jié)構(gòu)40 cm，襯砌外側(cè)所獲得壓應(yīng)力增長19.8%，而在含水量20%下壓應(yīng)力漲幅又為17.4%。分析表明在運(yùn)營10 a后，襯砌結(jié)構(gòu)對遠(yuǎn)離其斷面的土層支護(hù)效果有所降低，土體壓應(yīng)力有所增大。在襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)軸線處，最大壓應(yīng)力隨斷面距離增大而遞減，其中1-1斷面襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)最大壓應(yīng)力為1.9 MPa，在1-1～3-3斷面上最大壓應(yīng)力均處于穩(wěn)定狀態(tài)，而在斷面4-4、5-5后最大壓應(yīng)力相比有所漲幅，相比穩(wěn)定斷面上的最大壓應(yīng)力分別增大了18.4%、28.9%，即在襯砌斷面0～80 cm范圍內(nèi)，引水隧洞運(yùn)營第10年時(shí)襯砌內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果仍處于較穩(wěn)定狀態(tài)，但斷面超過80 cm后，土層內(nèi)壓應(yīng)力受擾動(dòng)影響顯著。

圖3 各斷面上在第10年應(yīng)力特征

當(dāng)含水量增大至20%后，其襯砌外側(cè)、內(nèi)側(cè)最大壓應(yīng)力變化特征與前一含水量工況下基本類似，但襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)壓應(yīng)力漲幅高于含水量15%下，即含水量愈大，襯砌結(jié)構(gòu)對斷面土層支護(hù)效果減弱效應(yīng)更顯著，即含水量愈大，愈不利于引水隧洞在運(yùn)營期內(nèi)安全穩(wěn)定性。含水量20%下襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)軸線上最大壓應(yīng)力亦是在4-4斷面后開展增長，其中4-4斷面、5-5斷面相比穩(wěn)定斷面上的最大壓應(yīng)力提高了24.3%、43.9%，襯砌結(jié)構(gòu)軸線后斷面上的安全穩(wěn)定性大大降低。

3.2 運(yùn)營10 a間應(yīng)力模擬結(jié)果

經(jīng)模擬計(jì)算可獲得引水隧洞在運(yùn)營10 a間襯砌斷面上應(yīng)力變化特征，本文在斷面上分別標(biāo)注有A、B、C、D四個(gè)測點(diǎn)，各測點(diǎn)分布位置如圖1所示，由于A與D、B與C測點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果基本類似，因而以A、C測點(diǎn)作為典型分析對象，如圖4所示。從圖中可看出，A測點(diǎn)壓應(yīng)力與運(yùn)營時(shí)間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，含水量15%工況下A測點(diǎn)在運(yùn)營10 a內(nèi)最大波動(dòng)出現(xiàn)在65 d，壓應(yīng)力漲幅了21.8%，而在此之后，應(yīng)力持續(xù)處于緩慢上升穩(wěn)定狀態(tài)，且基本為線性增長，在65 d后，A測點(diǎn)壓應(yīng)力以每天應(yīng)力漲幅8.29×10-5MPa變化，此對估算襯砌結(jié)構(gòu)對引水隧洞斷面支護(hù)失效很有必要。當(dāng)含水量為20%時(shí)，A測點(diǎn)壓應(yīng)力漲幅最快階段持續(xù)至65 d左右，在此之后，壓應(yīng)力漲幅為每天1.4×10-4MPa，高于含水量15%工況。分析認(rèn)為，運(yùn)營初期壓應(yīng)力上漲與隧洞初始施加荷載有關(guān)造成的，之后隧洞斷面結(jié)構(gòu)材料長期處于流變力學(xué)狀態(tài)，且含水量愈大，流變速率愈快，對襯砌結(jié)構(gòu)斷面危害性愈大。

圖4 運(yùn)營10 a間襯砌斷面上應(yīng)力變化特征

與A測點(diǎn)不同的是，C測點(diǎn)壓應(yīng)力在兩工況中均是在荷載施加初期具有顯著上升，在此10 a運(yùn)營期間內(nèi)，應(yīng)力長期處于穩(wěn)定狀態(tài)，無顯著流變狀態(tài)特征，其中含水量15%工況中應(yīng)力穩(wěn)定在3.32 MPa，但含水量20%工況穩(wěn)定狀態(tài)下應(yīng)力相比前者增大了2.9%。C測點(diǎn)位于襯砌斷面中線延伸線上，表明襯砌結(jié)構(gòu)主要受流變破壞威脅乃是頂、底點(diǎn)，應(yīng)在設(shè)計(jì)中著重加固該區(qū)域。

4 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)位移分析

圖5為引水隧洞運(yùn)營第10年時(shí)不同含水量土層工況中襯砌結(jié)構(gòu)斷面軸線上沉降位移變化特征。從圖中可看出，含水量15%工況中A點(diǎn)沉降變形最大，最大沉降位于襯砌斷面中心部位，達(dá)20.50 mm，而在斷面軸線方向上，以襯砌結(jié)構(gòu)所在剖面為對稱線，兩側(cè)沉降基本一致，即沉降變形整體式呈“V”型。D點(diǎn)沉降變形最小，遠(yuǎn)低于A點(diǎn)沉降值，其最大沉降相比A點(diǎn)降低了24.5%；而中心延伸線上C點(diǎn)沉降值結(jié)于A、D間，其最大沉降為19.85 mm。當(dāng)含水量增大至20%后，整體剖面上沉降變化曲線基本一致，僅量值上出現(xiàn)差異，其中A點(diǎn)最大沉降為27.12 mm，相比含水量15%工況中增長了18.5%，在C、D點(diǎn)中最大沉降也分別提高了20.2%、17.6%，即相同運(yùn)營年限下，含水量愈大的工況中襯砌結(jié)構(gòu)變形沉降愈大，失穩(wěn)傾向性愈大。

圖5 運(yùn)營至10 a時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)斷面軸線上沉降值

同理，給出隧洞斷面運(yùn)營10 a內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)沉降變形隨運(yùn)營時(shí)間變化關(guān)系，如圖6所示。從圖中可看出，含水量15%工況中，沉降變形最大增長出現(xiàn)在初期加荷時(shí)期，0～65 d，A點(diǎn)沉降增大了7%，而在此之后，沉降變形呈緩慢遞增狀態(tài)，其中運(yùn)營1000～3500 d內(nèi)，沉降值增大了1.02%，即襯砌結(jié)構(gòu)材料在加荷后長期處于流變變形狀態(tài)。C測點(diǎn)相比A測點(diǎn)，在加荷初期沉降增長較小，僅為1.4%，且在運(yùn)營階段后的長期流變階段中沉降值增長也較慢，運(yùn)營1000 d與3000 d，沉降值增長僅0.34%。當(dāng)含水量增長至20%工況后，A測點(diǎn)流變穩(wěn)定階段中沉降值增長速率有所提高，運(yùn)營3500 d沉降值相比1000 d增長了1.12%，整體沉降值亦高于含水量15%工況，在相同2000 d運(yùn)營時(shí)間點(diǎn)，含水量20%工況下的A點(diǎn)沉降值為25.1 mm，比含水量15%工況下同測點(diǎn)同時(shí)間點(diǎn)高了15.8%。兩個(gè)含水量工況中C測點(diǎn)沉降值差異基本與A點(diǎn)一致，即含水量增大，襯砌結(jié)構(gòu)斷面上沉降量與流變階段沉降增長速率顯著提高。

圖6 運(yùn)營10 a內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)沉降值隨運(yùn)營時(shí)間變化

5 結(jié) 論

(1)斷面距襯砌結(jié)構(gòu)愈遠(yuǎn)，則襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)壓應(yīng)力愈大，含水量15%、20%工況中平均每遠(yuǎn)離襯砌結(jié)構(gòu)40 cm，襯砌外側(cè)所獲得應(yīng)力增長分別為19.8%、17.4%；但襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力在斷面0～80 cm范圍內(nèi)仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；土層含水量愈大，襯砌外側(cè)結(jié)構(gòu)對遠(yuǎn)離斷面的支護(hù)效果減弱效應(yīng)更顯著。

(2)運(yùn)營10 a區(qū)間內(nèi)，A測點(diǎn)壓應(yīng)力與運(yùn)營時(shí)間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，在加荷65 d具有較大的應(yīng)力波動(dòng)，后持續(xù)處于穩(wěn)定上升狀態(tài)，含水量15%工況中A測點(diǎn)以每天應(yīng)力漲幅8.29×10-5MPa變化，但含水量20%工況穩(wěn)定上升階段中每天應(yīng)力漲幅為1.4×10-4MPa；C測點(diǎn)在加荷初期具有上升特征，后持續(xù)處于穩(wěn)定不變狀態(tài)。

(3)含水量改變，僅影響斷面軸線上沉降變形量值，但不影響變化特征；運(yùn)營10 a時(shí)斷面軸線上的A點(diǎn)沉降變形呈“V”型，D點(diǎn)沉降值低于A點(diǎn)，含水量20%工況A點(diǎn)最大沉降相比含水量15%下增長了18.5%。

(4)襯砌結(jié)構(gòu)沉降變形在加荷后持續(xù)處于緩慢遞增狀態(tài)，運(yùn)營1000～3500 d內(nèi)，含水量15%工況中A點(diǎn)沉降值增大了1.02%，C點(diǎn)沉降量值以及增長速率均低于A點(diǎn)；含水量增大，運(yùn)營10 a區(qū)間內(nèi)沉降量值、增長速率均提高。