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        引水隧道內(nèi)水壓力對隧洞襯砌穩(wěn)定性影響

        2021-12-04 09:33:42李國玉
        水利科技與經(jīng)濟(jì) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)水環(huán)向水頭

        李國玉

        (臨沂市水利局,山東 臨沂 276000)

        0 引 言

        近年來,隨著水電工程的蓬勃發(fā)展,大量水工隧道建設(shè)出現(xiàn)在高山峽谷地帶。由于在該地質(zhì)環(huán)境下隧道埋深大、承受內(nèi)外水壓大,這對隧道的施工以及結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了新的要求。針對水工隧道襯砌問題,已有大量學(xué)者對此展開相關(guān)研究。Pan[1]基于開爾文模型和麥克斯韋模型,對圍巖-襯砌間的相互作用進(jìn)行研究分析,獲得襯砌剛度的變化規(guī)律。Galli[2]等通過數(shù)值分析方法,研究分析了隧洞掘進(jìn)過程中圍巖與襯砌間的相互作用。趙子龍[3]等采用現(xiàn)場試驗的方法對襯砌的圍巖壓力進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn),其壓力分布規(guī)律是根據(jù)襯砌剛度分配的。姚俊峰[4]利用有限元數(shù)值分析軟件,建立了隧道模型,研究分析在不同工況下隧道襯砌的水壓力分布。高新強(qiáng)[5]通過ABAQUS有限元模擬軟件建立模型,改變水壓力來研究襯砌與圍巖的變化規(guī)律。王志杰[6]針對不同的注漿參數(shù),通過等效方法對隧道襯砌的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析。Arjnoi[7]與Nam[8]通過數(shù)值模擬方法和理論推導(dǎo),建立數(shù)值模型,深入分析內(nèi)外水壓力與襯砌-圍巖相互作用間的影響關(guān)系。崔戈[9]從實地監(jiān)測、數(shù)值模擬以及模型試驗等多方面,綜合考慮隧道中溶洞位置、溶洞規(guī)模和內(nèi)外水壓等因素,研究分析了不同工況下隧道襯砌的結(jié)構(gòu)特性和穩(wěn)定性。

        綜合上述研究,本文結(jié)合某實際工程項目,利用ABAQUS有限元數(shù)值分析軟件,建立隧道襯砌模型,考慮襯砌管片間的相互作用,研究分析引水隧道內(nèi)水壓力對隧洞襯砌穩(wěn)定性影響。

        1 工程概況

        本研究結(jié)合某地區(qū)供水工程隧道,其隧洞全長30 km,隧洞開挖完成后,進(jìn)行回填豆礫石和C50襯砌管片施工作業(yè)。本研究視施工后的材料強(qiáng)度已基本穩(wěn)定,并且約有為200 m的水頭施加在襯砌內(nèi)表面,其圍巖材料特性和其他材料參數(shù)見表1和表2。

        表1 圍巖材料參數(shù)

        表2 襯砌材料參數(shù)

        2 模型建立

        為了研究內(nèi)水壓作用下隧道襯砌穩(wěn)定性的變化規(guī)律,本研究選取隧道中某一標(biāo)準(zhǔn)段三環(huán)作為研究對象,采用ABAQUS有限元軟件建立模型(圖1中,CQ-1、CQ-2和CQ-3為三環(huán)管片襯砌,J1-J6為接縫處,A-F為管片),其中襯砌、豆礫石設(shè)為線彈性材料,而螺栓、圍巖分別設(shè)為理想線彈性材料和彈塑性材料,螺栓采用桿單元進(jìn)行模擬,其余材料均采用八節(jié)點等參單元。本研究施加的內(nèi)水壓力作用在襯砌管片的內(nèi)表面,見圖2。

        圖1 標(biāo)準(zhǔn)洞模型圖

        圖2 內(nèi)水壓力作用在襯砌內(nèi)表面示意圖

        3 模擬結(jié)果分析

        3.1 管片變形與應(yīng)力分析

        由圖3可知,在內(nèi)水壓力作用下,整體上管片變形呈現(xiàn)出由上至下逐步遞減的趨勢。徑向上的管片由于受到內(nèi)水壓力的作用導(dǎo)致向外部產(chǎn)生變形,其中可以明顯發(fā)現(xiàn)其頂部變形顯著,達(dá)到0.732 mm。而變形最小的是底部管片兩側(cè)的接縫處,其值約為0.466 mm。

        圖3 管片徑向位移圖

        由圖4可知,整體上管片承受壓應(yīng)力為主,其徑向應(yīng)力分布均勻,應(yīng)力集中現(xiàn)象主要發(fā)生在接縫處,其最大壓應(yīng)力值約-3.62 MPa,見圖4(a)。

        圖4 管片應(yīng)力分布圖

        隨著管片逐步向外部產(chǎn)生變形,其環(huán)向應(yīng)力以拉應(yīng)力為主,管片中部應(yīng)力集中,分布對稱,管片中部應(yīng)力較大,兩側(cè)較為均勻,其中拉應(yīng)力最大可達(dá)2.52 MPa(已超過混凝土抗拉強(qiáng)度1.89 MPa),位于管片底部。根據(jù)圖4(b)可以發(fā)現(xiàn),襯砌外側(cè)拉應(yīng)力要小于內(nèi)側(cè),進(jìn)而取其CQ-2環(huán)中部為觀察點,以內(nèi)表面環(huán)向路徑的頂部作為起點,旋轉(zhuǎn)一周達(dá)到終點,并將其環(huán)向應(yīng)力呈現(xiàn)為圖5。其中,由于襯砌底部存在凹槽,導(dǎo)致出現(xiàn)圖中紅色框的部分,該部分與其他管片相比差異較大,忽略該部分影響可以發(fā)現(xiàn),各個管片的環(huán)向應(yīng)力均呈現(xiàn)出頂部最小并逐漸向中部增大,其最值可達(dá)1.41 MPa。

        圖5 環(huán)向路徑環(huán)向應(yīng)力圖

        由圖6和圖7可知,管片襯砌受到內(nèi)水壓力的作用,位于管片底部的凹槽,其拉應(yīng)力最大可達(dá)2.52 MPa(大于混凝土的抗拉強(qiáng)度1.89 MPa),存在開裂的可能性,而管片的最大壓應(yīng)力為-3.66 MPa(小于混凝土的抗壓強(qiáng)度23.2 MPa)。

        圖6 管片襯砌第一主應(yīng)力圖

        圖7 管片襯砌第三主應(yīng)力圖

        根據(jù)上述位移和應(yīng)力圖可知,管片襯砌受到內(nèi)水壓力的作用導(dǎo)致向外變形,而該作用是由襯砌和圍巖共同承擔(dān)的,探究襯砌和圍巖的承載比可以進(jìn)一步說明內(nèi)水壓作用對襯砌管片穩(wěn)定性的影響。因此,本研究分別以襯砌頂部和底部作為觀察點,提取其應(yīng)力數(shù)據(jù),見表3。通過計算獲得在內(nèi)水壓力作用下襯砌與圍巖的承載比分布在3.8%~5.8%,這也表征了圍巖是承擔(dān)內(nèi)水壓力的主要對象,而襯砌管片分擔(dān)相對較小。

        表3 管片襯砌環(huán)向應(yīng)力與承載比分析

        3.2 接縫開度與環(huán)向螺栓應(yīng)力

        考慮到襯砌模型兩端位移邊界的影響,本研究選擇CQ-2環(huán)作為研究對象,分析環(huán)上各處接縫的開度以及環(huán)向螺栓應(yīng)力分布,其接縫和環(huán)向螺栓示意圖見圖8。接縫開度變化情況見表4和圖9。

        圖8 CQ-2環(huán)的接縫和環(huán)向螺栓示意圖

        表4 CQ-2環(huán)接縫平均開度隨水頭變化情況

        圖9 接縫平均開度隨內(nèi)水水頭變化曲線

        由圖8和表4可以發(fā)現(xiàn),隨著水頭的增大,CQ-2環(huán)的接縫平均開度也在不斷增大。當(dāng)水頭達(dá)到100 m時,其接縫總平均開度達(dá)到0.267 mm;當(dāng)水頭達(dá)到200 m時,其接縫總平均開度達(dá)到0.525 mm。值得注意的是,通過對比發(fā)現(xiàn),J1、J2和J3分別與J6、J5和J4的接縫平均開度基本對應(yīng)相等。整體上,在同一水頭下接縫平均開度變化規(guī)律表現(xiàn)出J3=J4>J2=J5>J1=J6。將其繪成隨內(nèi)水壓力變化的接縫平均開度變化曲線(圖9)可以發(fā)現(xiàn),在同一水頭下,水頭與接縫開度呈線性關(guān)系,且各接縫開度平均值差異較小,見圖10。

        圖10 襯砌CQ-2環(huán)接縫開度(單位:mm)

        由圖10可以發(fā)現(xiàn),整體上接縫開度變化不盡相同。沿縱軸向襯砌由頂部至底部接縫開度呈不均勻分布規(guī)律,在靠近襯砌內(nèi)側(cè)的接縫開度較小,而靠近襯砌外側(cè)的接縫開度較大,但兩者相差較小,約為0.48~0.59 mm。

        由于環(huán)向螺栓對接縫開度具有一定的控制作用,結(jié)合CQ-2環(huán)向螺栓應(yīng)力情況(表5)發(fā)現(xiàn),隨著襯砌接縫開度的增大,同一接縫處環(huán)向螺栓的拉應(yīng)力也隨之增大。其中,J3和J4處環(huán)向螺栓應(yīng)力值最大,約為266.441 MPa;而J1和J6處環(huán)向螺栓應(yīng)力最小,約為224.600 MPa。

        表5 CQ-2環(huán)向螺栓應(yīng)力情況表

        4 結(jié) 論

        通過ABAQUS數(shù)值模擬軟件建立模型,研究分析引水隧道內(nèi)水壓力對隧洞襯砌穩(wěn)定性的影響,主要結(jié)論如下:

        1)在內(nèi)水壓力作用下,整體上管片變形呈現(xiàn)出由上至下逐步遞減的趨勢,其頂部變形顯著,底部管片兩側(cè)的接縫處變形最小。

        2)整體上管片承受壓應(yīng)力為主,其徑向應(yīng)力分布均勻,應(yīng)力集中現(xiàn)象主要發(fā)生在接縫處。隨著管片逐步向外部產(chǎn)生變形,其環(huán)向應(yīng)力以拉應(yīng)力為主,管片中部應(yīng)力集中,分布對稱,管片中部應(yīng)力較大,兩側(cè)較為均勻,位于管片底部凹槽的拉應(yīng)力最大,存在開裂的可能性。

        3)襯砌和圍巖共同承擔(dān)內(nèi)水壓力作用,研究發(fā)現(xiàn)襯砌與圍巖的承載比分布在3.8%~5.8%,說明圍巖是承擔(dān)內(nèi)水壓力的主要對象,而襯砌管片分擔(dān)相對較小。

        4)隨著襯砌接縫開度的增大,環(huán)向螺栓的拉應(yīng)力也隨之增大,其中J3和J4處螺栓應(yīng)力最大,J1和J6處螺栓應(yīng)力最小。

        5)在同一水頭下,水頭與接縫開度呈線性關(guān)系,且各接縫開度平均值差異較小,接縫平均開度變化規(guī)律表現(xiàn)出J3=J4>J2=J5>J1=J6。

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