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        某大型水電站交通洞與導(dǎo)流洞交叉斷面非線性三維數(shù)值模擬

        2021-12-27 06:57:44嚴(yán)軍偉孔科鄒奧斯何文學(xué)汪澤川
        四川水利 2021年6期
        關(guān)鍵詞:圍巖混凝土

        嚴(yán)軍偉,孔科,鄒奧斯,何文學(xué),汪澤川

        (中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,成都,610072)

        1 工程背景

        某水電站導(dǎo)流洞封堵期間,庫水位上升,導(dǎo)流洞內(nèi)處于無水無壓狀態(tài),但交通洞與水庫相連,交通洞承受庫水位水壓且不斷增加。導(dǎo)流洞與交通洞交叉布置,導(dǎo)流洞位于交通洞頂拱上方,開挖斷面最小距離僅0.667m。為了施工方便,擬挖除該段巖塞,隨后回填C20混凝土,回填混凝土范圍為導(dǎo)流洞軸線兩側(cè)各2.5m,深度至交通洞襯砌混凝土上表面。

        導(dǎo)流洞封堵期間,交通洞頂拱C25混凝土-回填C20混凝土-導(dǎo)流洞底板C25混凝土需共同承擔(dān)81.8m~106.8m水壓力。

        該段圍巖類別為Ⅲ類,導(dǎo)流洞襯砌厚度0.8m,交通洞襯砌厚度1.0m。

        本文主要采用三維有限元計(jì)算方法,分析交通洞與導(dǎo)流洞交叉段在封堵蓄水期間的位移與應(yīng)力變化情況。

        2 計(jì)算理論

        2.1 材料模型

        基巖考慮為理想彈塑性材料,采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則模擬;混凝土材料按線彈性材料考慮,并采用增量求解法計(jì)算。

        2.2 計(jì)算方法及過程模擬

        洞室開挖圍巖應(yīng)力屬于完全釋放,假設(shè)不考慮圍巖蠕變,洞室開挖結(jié)束時(shí),變形為洞室最大變形,此時(shí)澆筑襯砌混凝土或噴混凝土,混凝土澆筑完成時(shí)的形狀即為洞室變形結(jié)束的形狀,該部分變形被強(qiáng)迫附加于襯砌上,襯砌上的結(jié)構(gòu)應(yīng)力比實(shí)際大很多。故本次計(jì)算,襯砌混凝土施工前圍巖應(yīng)力釋放率按60%考慮,即襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)40%的圍巖自重應(yīng)力。

        本次計(jì)算,模擬初始自重應(yīng)力場(chǎng)、交通洞和導(dǎo)流洞開挖與應(yīng)力釋放、襯砌混凝土施工、水庫蓄水等過程,具體施工模擬過程見表1。

        表1 模擬過程

        3 材料參數(shù)與計(jì)算工況

        圍巖類別:Ⅲ、Ⅳ和V類,物理力學(xué)參數(shù)見表2,計(jì)算選取參數(shù)見表3。

        表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)建議值

        表3 計(jì)算中選取的材料參數(shù)

        主要荷載:圍巖自重、混凝土自重及庫水壓力等。

        導(dǎo)流洞臨時(shí)堵頭施工時(shí)間約1個(gè)月,從導(dǎo)流洞下閘開始后1個(gè)月內(nèi),水電站從1595.00m蓄水至1625.00m,隨后繼續(xù)蓄水至最低發(fā)電水位1650.00m。交通洞與導(dǎo)流洞交叉點(diǎn)處,交通洞頂拱下表面承擔(dān)的水頭為54.52m~109.52m(交通洞高程1540.48m)。

        計(jì)算工況包括庫水位蓄水至高程1595.00m、1625.00m和1650.00m三種工況,并考慮導(dǎo)流洞襯砌外水壓力,折減系數(shù)按0.5考慮。

        4 數(shù)值模型

        4.1 坐標(biāo)系與符號(hào)約定

        計(jì)算模型全部采用整體直角坐標(biāo)系xyz表達(dá)模型空間幾何位置,xyz坐標(biāo)系遵守右手定則,x、y、z坐標(biāo)方向等同如下方向。

        (1)x坐標(biāo)軸正向?yàn)轫標(biāo)飨颍?/p>

        (2)y坐標(biāo)軸正向?yàn)榇怪毕蛏?,y坐標(biāo)關(guān)聯(lián)于高程;

        (3)z坐標(biāo)正向?yàn)閷?dǎo)流洞左側(cè)指向右側(cè)。

        在沒有特別申明的情況下,位移計(jì)算成果與坐標(biāo)軸正向一致的位移動(dòng)或變形值為“正值”,“負(fù)”值表示與坐標(biāo)軸正向相反。

        正應(yīng)力計(jì)算成果:拉應(yīng)力為“正值”,壓應(yīng)力為“負(fù)值”。有關(guān)巖土大小應(yīng)力規(guī)定符合巖土工程習(xí)慣。

        4.2 有限元模型

        交通洞與導(dǎo)流洞交叉段三維有限元模型詳見圖1。

        (a)整體網(wǎng)格

        (b)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)

        (c)交叉段混凝土襯砌結(jié)構(gòu)

        5 計(jì)算結(jié)果與分析

        5.1 圍巖位移與應(yīng)力

        5.1.1 位移分析

        圖2-圖4表示在地應(yīng)力場(chǎng)平衡和洞室開挖結(jié)束時(shí)圍巖位移結(jié)果。

        (a)順?biāo)飨?/p>

        (b)豎直向

        (c)垂直水流向

        (a)順?biāo)飨?/p>

        (b)豎直向

        (c)垂直水流向

        (a)順?biāo)飨?/p>

        (b)豎直向

        (c)垂直水流向

        從以上計(jì)算結(jié)果可知:

        (1)初始應(yīng)力場(chǎng)平衡結(jié)束時(shí),圍巖最大位移0.17mm,滿足計(jì)算精度要求;

        (2)洞室開挖結(jié)束時(shí),隧洞開挖對(duì)洞周圍巖變形影響較大,交通洞邊墻最大水平位移1.78mm,導(dǎo)流洞邊墻最大水平位移1.96mm;導(dǎo)流洞和交通洞頂拱最大垂直方向位移6.51mm,底板最大垂直方向位移5.21mm。

        綜上所述,導(dǎo)流洞和交通洞開挖后洞周位移均較小。

        5.1.2 應(yīng)力分析

        圖5表示在洞室開挖結(jié)束時(shí)洞周圍巖應(yīng)力結(jié)果。

        (a)最大主應(yīng)力σmax

        (b)最小主應(yīng)力σmin

        (c)順?biāo)飨颚?1

        (d)豎直向σ22

        (e)垂直水流向σ33

        從以上計(jì)算結(jié)果可知:洞室開挖結(jié)束時(shí),隧洞周邊圍巖最大拉應(yīng)力3.31MPa,最大壓應(yīng)力20.22MPa,均產(chǎn)生于交叉段附近。

        5.2 襯砌位移與應(yīng)力

        5.2.1 位移分析

        圖6-圖9分別表示交通洞和導(dǎo)流洞襯砌結(jié)束、蓄水至1595.00m、蓄水至1625.00m和蓄水至1650.00m襯砌結(jié)構(gòu)位移結(jié)果。

        (a)順?biāo)飨?/p>

        (b)豎直向

        (c)垂直水流向

        (a)順?biāo)飨?/p>

        (b)豎直向

        (c)垂直水流向

        (a)順?biāo)飨?/p>

        (b)豎直向

        (c)垂直水流向

        (b)豎直向

        (c)垂直水流向

        從以上計(jì)算結(jié)果可知:

        (1)襯砌施工結(jié)束時(shí),交通洞邊墻最大順?biāo)飨蛭灰?.79mm,導(dǎo)流洞邊墻最大垂直水流向位移1.96mm,兩洞頂拱最大垂直向位移6.70mm;

        (2)蓄水至1595.00m時(shí),交通洞邊墻最大順?biāo)飨蛭灰?.76mm,導(dǎo)流洞邊墻最大垂直水流向位移1.96mm,兩洞頂拱最大垂直位移為6.56mm;

        (3)蓄水至1625.00m時(shí),交通洞邊墻最大順?biāo)飨蛭灰?.74mm,導(dǎo)流洞邊墻最大垂直水流向位移2.25mm,兩洞頂拱最大垂直位移為6.68mm;

        (4)蓄水至1650.00m時(shí),交通洞邊墻最大順?biāo)飨蛭灰?.73mm,導(dǎo)流洞邊墻最大垂直水流向位移2.34mm,兩洞頂拱最大垂直位移為6.72mm。

        綜上所述,隨著水庫蓄水水位上升,交通洞內(nèi)水壓力逐漸增大,襯砌內(nèi)凹位移逐漸減小,洞頂沉降位移逐漸減小,位移值均較小。

        5.2.2 應(yīng)力分析

        圖10-圖12分別表示交通洞和導(dǎo)流洞在襯砌施工完成及蓄水至1595.00m、1625.00m、1650.00m時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力成果。

        (a)襯砌施工完成

        (b)蓄水至1595.00m

        (c)蓄水至1625.00m

        (d)蓄水至1650.00m

        (a)襯砌施工完成

        (b)蓄水至1595.00m

        (c)蓄水至1625.00m

        (d)蓄水至1650.00m

        (a)襯砌施工完成

        (b)蓄水至1595.00m

        (c)蓄水至1625.00m

        (d)蓄水至1650.00m

        從以上計(jì)算結(jié)果可知:

        (1)襯砌施工結(jié)束時(shí),交通洞和導(dǎo)流洞襯砌拉應(yīng)力峰值為0.175MPa。

        (2)蓄水至1595.00m時(shí),交通洞底板拉應(yīng)力峰值達(dá)到1.777MPa,導(dǎo)流洞底板拉應(yīng)力峰值為0.260MPa;交通洞頂拱順?biāo)飨蚶瓚?yīng)力為1.220MPa,導(dǎo)流洞對(duì)應(yīng)位置底板拉應(yīng)力為0.15MPa。

        (3)蓄水至1625.00m時(shí),交通洞底板拉應(yīng)力峰值達(dá)到2.683MPa,導(dǎo)流洞底板拉應(yīng)力峰值為0.427MPa;交通洞頂拱順?biāo)飨蚶瓚?yīng)力為1.860MPa,導(dǎo)流洞位置底板拉應(yīng)力為0.196MPa。

        (4)水庫蓄水至1650.00m時(shí),交通洞底板拉應(yīng)力峰值達(dá)到3.438MPa,導(dǎo)流洞底板拉應(yīng)力峰值為0.567MPa;交通洞頂拱順?biāo)飨蚶瓚?yīng)力為2.393MPa,導(dǎo)流洞對(duì)應(yīng)位置底板拉應(yīng)力為0.275MPa。

        綜上所述,在施工及蓄水各階段,導(dǎo)流洞底板應(yīng)力均較小,未達(dá)到C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27MPa。

        6 結(jié)論

        根據(jù)對(duì)不同工況下導(dǎo)流洞和交通洞交叉斷面變形和應(yīng)力的研究,可得出如下結(jié)論:

        (1)洞室開挖后,隧洞開挖對(duì)洞周圍巖變形和應(yīng)力影響較大,但洞周位移均較小。圍巖最大位移和最大拉應(yīng)力均產(chǎn)生于導(dǎo)流洞和交通洞交叉斷面附近,隧洞交叉布置對(duì)圍巖變形和應(yīng)力分布影響較大。

        (2)洞室襯砌后,交叉段洞周位移變化較小,但洞周應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)變,因?qū)Я鞫吹装鍧仓徒徊娑蜟20混凝土回填,交通洞頂拱出現(xiàn)壓應(yīng)力。

        (3)蓄水從1595.00m上升至1650.00m過程中,因交通洞洞內(nèi)水壓力不斷增大,交通洞襯砌內(nèi)凹位移逐漸減小,洞頂沉降位移逐漸減小。

        (4)蓄水從1595.00m上升至1650.00m過程中,交通洞最大拉應(yīng)力位于底板邊緣,并未出現(xiàn)在交叉段交通洞拱頂。因此,交叉段采用“交通洞頂拱C25混凝土-回填C20混凝土-導(dǎo)流洞底板C25混凝土”方案滿足工程要求。但交通洞頂拱拉應(yīng)力達(dá)到2.39MPa,超過C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,仍為工程薄弱環(huán)節(jié),應(yīng)加強(qiáng)配筋設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制。

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