王屹久

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

我國(guó)水資源豐富，但分布不均衡，長(zhǎng)距離引水調(diào)水工程越來(lái)越為生產(chǎn)生活實(shí)際所需要。隧洞輸水在輸水工程中應(yīng)用廣泛，但是由于輸水隧洞具有埋深大、線(xiàn)路長(zhǎng)等特點(diǎn)，需要克服高地應(yīng)力、高滲壓和高地應(yīng)力等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，諸多學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究。

齊凱[1]利用Flac3D有限元模型對(duì)研究洞段圍巖開(kāi)挖支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并給出了具體的支護(hù)建議。盛亮[2]以白石引水隧洞Ⅳ類(lèi)圍巖洞段為例對(duì)研究洞段圍巖開(kāi)挖支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，其研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)對(duì)埋深50m以上的洞段進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)。卞康等[3]基于彈性損傷理論和等效連續(xù)介質(zhì)滲流理論，提出一種可以在高壓水工隧洞襯砌開(kāi)裂后估算隧洞滲水量的方法。周富強(qiáng)[4]研究通過(guò)襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力、位移和塑性應(yīng)變現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，獲得了高地溫條件下水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移和塑性應(yīng)變的變化規(guī)律。余濤[5]研究高壓輸水隧洞帷幕體防滲性能，建立基于滲流場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)及帷幕體微觀結(jié)構(gòu)等多物理場(chǎng)耦合的數(shù)值模型，采用FEM數(shù)值法求解并結(jié)合工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)帷幕體在高水頭長(zhǎng)期侵蝕與溶解作用下，抗?jié)B性和耐久持續(xù)衰減，帷幕體溶蝕具有時(shí)空變異特性。楊斌[6]以遼寧省大風(fēng)口水庫(kù)新建輸水隧洞為例，利用ABQUS軟件進(jìn)行有限元建模，分析了滲流作用下圍巖變形和受力情況以及襯砌結(jié)構(gòu)受力情況，結(jié)果顯示拱腰部位水平應(yīng)力較大而仰拱和拱頂部位豎向應(yīng)力較大。李昕[7]和計(jì)紅燕[8]以遼寧省觀音閣水庫(kù)輸水工程的輸水隧洞襯砌施工為例，利用ANSYS大型通用有限元軟件，對(duì)輸水隧洞襯砌混凝土施工和運(yùn)行期間的溫度應(yīng)力變化進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

以水庫(kù)引水隧洞工程為研究對(duì)象，通過(guò)有限元軟件建立數(shù)值模型，模擬引水隧洞區(qū)段穿越高溫巖層。分析了水頭大小、初始圍巖溫度、水溫以及支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度4個(gè)敏感參數(shù)對(duì)圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

1 工程背景

某水庫(kù)引水隧洞工程的建設(shè)對(duì)該城市生活用水十分重要，引水隧洞工程所穿越的地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其是部分引水隧洞區(qū)段穿越高溫巖層。引水隧洞工程所穿越高溫巖層的溫度最高可達(dá)100℃，引水隧洞內(nèi)部巖體溫度不低于28℃，洞內(nèi)濕氣大，為缺氧環(huán)境。引水隧洞運(yùn)營(yíng)期，引水隧洞內(nèi)部溫度、地應(yīng)力和內(nèi)水壓力的相互作用對(duì)隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖有顯著影響。隧洞穿越高溫巖層區(qū)段，支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖由于隧道內(nèi)高梯度的溫度場(chǎng)的影響，會(huì)產(chǎn)生收縮變形進(jìn)而引起破壞，而隧洞外側(cè)圍巖由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生高應(yīng)力進(jìn)而引起開(kāi)裂[9- 10]。水流沿著圍巖裂縫滲入圍巖內(nèi)部從而引起水力劈裂現(xiàn)象，這對(duì)引水隧洞的穩(wěn)定性具有不利影響。

2 溫度-滲流-應(yīng)力耦合模型

2.1 計(jì)算原理

通過(guò)求解能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和質(zhì)量守恒方程來(lái)分析溫度-滲流-應(yīng)力耦合過(guò)程[9- 11]，方程式如下式(1)-(3):

能量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程:

(2)

(3)

式(1)-(3)中不同變量的含義見(jiàn)表1。式(1)-(3)構(gòu)成了溫度-滲流-應(yīng)力耦合模型的控制方程，其中位移矢量、孔隙率、孔隙水壓力以及溫度為基本變量。

表1 式(1)-(3)中不同變量的含義

2.2 數(shù)值模型

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查資料可知，引水隧洞周邊圍巖等級(jí)多為Ⅱ級(jí)，局部區(qū)段的圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)，隧洞周邊的圍巖具有較好的完整性，巖石硬度較高，周邊圍巖以花崗巖麻巖為主，由于圍巖具有較好的完整性，噴射等級(jí)為C30的混凝土作為圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)。利用有限元軟件建立引水隧洞數(shù)值模型，模型寬度和高度均為30m，引水隧洞設(shè)計(jì)為城門(mén)洞型截面，隧洞洞涇為4.8m。用四面體對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)隧洞周邊網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，模型共5681個(gè)單元，6235個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型邊界條件：模型底部為固定約束，模型四周為法向約束，模型頂部為自由邊界。引水隧洞模型圖如圖1所示。

圖1 引水隧洞模型圖

2.3 模擬方案

引水隧洞在正常輸水后，隧洞周邊圍巖受力狀況較為復(fù)雜，且對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響因素眾多。本文主要研究水頭大小、初始圍巖溫度、水溫以及支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度4個(gè)敏感參數(shù)對(duì)圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。不同工況方案見(jiàn)表2。

表2 不同工況方案

3 影響因素分析

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度

為研究支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度對(duì)引水隧洞不同位置受力變形的影響，不同厚度下隧洞側(cè)墻、拱底以及拱頂處的應(yīng)力及位移見(jiàn)表3。

從表3中可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度對(duì)隧洞側(cè)墻和拱底處支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力影響最為顯著，對(duì)拱頂處支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力影響最小。不同隧洞部位處的最大主應(yīng)力在不同支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度下均處于受壓狀態(tài)，并且隨著支護(hù)厚度的增加，壓應(yīng)力也在增加。對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，隨著支護(hù)厚度的增加，不同隧洞部位處的變形逐漸減小，且不同隧洞位置的變形量接近，隧洞側(cè)墻處支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形最大，拱頂處支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形次之，拱底處支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形最小。另一方面，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度，圍巖內(nèi)部溫度梯度也逐漸變大，從而減小溫度拉應(yīng)力。綜上所述，當(dāng)引水隧洞正常輸水后，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度可以限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，提升引水隧洞的穩(wěn)定性和安全性。

表3 不同部位隧洞應(yīng)力和位移

3.2 初始圍巖溫度

為研究初始圍巖溫度對(duì)引水隧洞不同位置受力變形的影響，溫度應(yīng)力、最大主應(yīng)力、位移隨初始圍巖溫度的變化曲線(xiàn)如圖2—4所示，并給出了隧洞側(cè)墻、拱底以及拱頂?shù)慕Y(jié)果。從圖中可以看出，隨著圍巖溫度的提升，不同位置處支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形均逐漸增大。當(dāng)初始圍巖溫度達(dá)到100℃時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)在隧洞拱底出現(xiàn)拉應(yīng)力峰值。當(dāng)溫度從60℃提升至100℃時(shí)，不同部位處的變形也顯著變大，最大變形差值為0.25mm。綜上所述，降低引水隧洞內(nèi)部初始圍巖溫度能有效限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形；反之，引水隧洞的穩(wěn)定性和安全性越差。

圖2 溫度應(yīng)力變化曲線(xiàn)

圖3 最大主應(yīng)力變化曲線(xiàn)

圖4 位移變化曲線(xiàn)

3.3 水溫

為研究水溫對(duì)引水隧洞不同位置受力變形的影響，溫度應(yīng)力、最大主應(yīng)力、位移隨水溫的變化曲線(xiàn)如圖5—7所示，并給出了隧洞側(cè)墻、拱底以及拱頂?shù)慕Y(jié)果。從圖中可以看出，引水隧洞內(nèi)部水溫對(duì)隧道不同位置應(yīng)力無(wú)顯著影響。當(dāng)水溫為10℃時(shí)，隧洞側(cè)墻處發(fā)生應(yīng)力峰值，其值為0.52MPa。提升引水隧洞內(nèi)部水溫能有效限制隧洞和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。這是因?yàn)樘嵘疁販p小了隧洞內(nèi)外溫差。

圖5 溫度應(yīng)力變化曲線(xiàn)

圖6 最大主應(yīng)力變化曲線(xiàn)

圖7 位移變化曲線(xiàn)

3.4 水頭

為研究水頭大小對(duì)引水隧洞不同位置受力變形的影響，溫度應(yīng)力、最大主應(yīng)力、位移隨水頭的變化曲線(xiàn)見(jiàn)表4，并給出了隧洞側(cè)墻、拱底以及拱頂?shù)慕Y(jié)果。從表中可以看出，提升輸水的水頭，引水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和滲流力逐漸增大。這是因?yàn)樘嵘ㄋ^，隧洞內(nèi)部承受的內(nèi)水壓力增加，進(jìn)而增加了隧洞變形，嚴(yán)重時(shí)引起破壞。

表4 不同通水水頭下拱頂、洞底和側(cè)墻應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)有限元軟件建立數(shù)值模型，模擬引水隧洞區(qū)段穿越高溫巖層。分析了水頭大小、初始圍巖溫度、水溫以及支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度敏感參數(shù)對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響。主要得到以下結(jié)論：當(dāng)引水隧洞正常輸水后，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度可減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，提升引水隧洞的穩(wěn)定性；降低引水隧洞內(nèi)部初始圍巖溫度能減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形；反之，引水隧洞的穩(wěn)定性越差；提升引水隧洞內(nèi)部水溫能減小隧洞內(nèi)外溫差，減少隧洞和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形；提升通水水頭，隧洞內(nèi)承受的內(nèi)水壓力增加，增加隧洞變形，嚴(yán)重時(shí)引起破壞。