李 哲

（中國電建集團港航建設有限公司,天津 300450）

隧洞輸水是水電站、水利樞紐、引調(diào)水和供水工程中大流量輸水最常見的型式[1]。實踐表明,隧洞斷面形狀對調(diào)整圍巖施工期和運行期的應力重分布,降低集中應力,保持圍巖穩(wěn)定具有顯著的影響。因此,隧洞輸水工程選擇合理的斷面和結(jié)構(gòu)支護型式具有重要的工程價值和經(jīng)濟效益。

對于城門洞或馬蹄形等非圓形輸水隧洞斷面,采用結(jié)構(gòu)力學法對其進行計算不再符合要求。同時,在大型工程中,鑒于地質(zhì)條件比較復雜,本構(gòu)—關(guān)系呈非線性,圍巖也是各項異性,因此采用非線性有限元法可很好地解決此類隧洞結(jié)構(gòu)計算問題。

松陽水網(wǎng)-松古平原水系綜合治理工程位于浙江省麗水市松陽縣境內(nèi)。擬通過開展水系連通工程、中小流域生態(tài)修復工程、防洪排澇工程、景觀提升工程等,打造集防洪保安網(wǎng)、資源配置網(wǎng)、幸福河湖網(wǎng)和智慧水利網(wǎng)于一體的“松陽水網(wǎng)”。本文以水系綜合治理工程黃南水庫至謝村源輸水工程為例,在對隧道沿線工程地質(zhì)條件和輸水流量分析的基礎上開展斷面設計選型,采用非線性有限元法計算驗證隧洞結(jié)構(gòu)設計的合理性。

1 工程概況

黃南水庫至謝村源輸水工程是松陽水網(wǎng)水系連通工程的組成部分,設計引水流量9.5 m3/s。隧洞沿線基巖主要為變質(zhì)晶屑玻屑凝灰?guī)r、晶屑玻屑弱熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)含角礫玻屑凝灰?guī)r等,新鮮巖石多為堅硬巖,呈厚層～塊狀結(jié)構(gòu)。隧洞圍巖完整性總體為一般～較好,以Ⅱ～Ⅲ類為主。隧洞Ⅱ～Ⅲ類圍巖約占70%～80%,Ⅳ～Ⅴ類圍巖約占20%～30%。

2 隧洞型式

工程為有壓輸水,從水力學角度分析圓形斷面最優(yōu),但如果隧洞軸線所處的工程地質(zhì)條件優(yōu)良,內(nèi)水壓力不大時,為洞內(nèi)運輸和鉆爆方便,支護簡易,也可采用馬蹄形或城門洞型斷面。因此,黃南水庫至謝村源輸水工程隧洞擬以IV類圍巖為代表選用圓形、城門洞型和平底馬蹄形三種斷面,按照等斷面面積進行比較分析。

2.1 各斷面結(jié)構(gòu)設計型式

圓形斷面Ⅳ類圍巖采用系統(tǒng)砂漿錨桿（L=2.25 m,間排距1 m）、掛網(wǎng)噴C25F50混凝土（厚15 cm）、Ⅰ14工字鋼間距1 m,C25 W4F50鋼筋混凝土襯砌厚度為0.3 m；局部區(qū)域頂拱范圍內(nèi)采用中孔自進錨桿超前支護。

城門洞形斷面方案開挖直徑3.5 m,Ⅳ類圍巖采用系統(tǒng)砂漿錨桿（L=2.25 m,間排距1 m）、掛網(wǎng)噴C25F50混凝土（厚15 cm）、I14 工字鋼間距1 m,C25W4F50鋼筋混凝土襯砌厚度為0.3 m；局部區(qū)域頂拱范圍內(nèi)采用中孔自進錨桿超前支護。

平底馬蹄形斷面方案開挖直徑3.6 m,Ⅳ類圍巖采用系統(tǒng)砂漿錨桿（L=2.25 m,間排距1 m）、掛網(wǎng)噴C25F50混凝土（厚15 cm）、I14工字鋼間距1 m,C25W4F50 鋼筋混凝土襯砌厚度為0.3 m；局部區(qū)域頂拱范圍內(nèi)采用中孔自進錨桿超前支護。

2.2 斷面型式比選

2.2.1 投資分析

以Ⅲ類～Ⅴ類圍巖為典型,計算圓形斷面、城門洞形和平底馬蹄形斷面單公里工程量及投資,見表1。其中,Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖長度占比分別為70%、20%和10%。

表1 隧洞各斷面型式單公里可比投資表 單位：元

2.2.2 施工條件分析

城門洞形斷面對于施工階段材料運輸和出渣最有利,馬蹄形斷面因為平底,其運輸條件也可接收。圓形斷面相較于前兩者施工條件最差,對工期會產(chǎn)生一定影響。

2.2.3 綜合比較

三種隧洞斷面型式綜合比較見表2。

表2 隧洞斷面型式綜合比較表

由表2可知,各斷面型式投資相差不大,圓形斷面隧洞雖然結(jié)構(gòu)受力和水力輸運條件最好,但施工條件不變,工期會受較大影響。城門洞型斷面施工便利,材料運輸及除渣條件最好雖然結(jié)構(gòu)受力條件相對較差,但經(jīng)過支護后能夠滿足設計要求,不會對隧洞的安全運行產(chǎn)生影響。綜上所述,隧洞型式推薦采用城門洞形斷面型式。

2.3 結(jié)構(gòu)設計計算

2.3.1 非線性有限元法計算原理

初始應力迭代法應用于隧洞計算的相關(guān)過程如下：

設材料切線彈性矩陣為［D0］可得線彈性應力為：

則該單元點的荷載是：

其中,V為面積；［B］為單元應變矩陣集合節(jié)點周圍的單元,得：

由此可得出,初始應力迭代法的計算步驟為：

其中：{P0}為原始荷載；［K0］ 為剛度矩陣

牧區(qū)95%的水井，距離居住點500m以上，有的在1 000m以外。這主要是考慮人的居住環(huán)境，一是冬天和禁牧期，牲畜都要進行舍飼或者補喂草料，要方便畜糞處理，防止污染地下水；二是夏秋季防止蚊蟲進入居住空間，同時也給牛犢、羊羔留出更大的活動場地。為了增加蓄電池使用壽命，保證冬季能正常工作，一般用戶都把蓄電池、控制箱和逆變器放在居住的房間里，客觀上增加了輸電距離，導致線損和電壓降增大，有時因輸送路線太長，很難維持在井內(nèi)的潛水泵正常工作電壓。若考慮架設定一段專用輸電線路，因牧區(qū)環(huán)境所限和大小牲畜活動影響，實施起來比較困難。

（2）由第一次計算位移近似值求應變{ε1},得初應力

（3）計算初始應力所得節(jié)點失衡力為

（5）第二次求位移近似值,得

（6）對（1）～（5）進行循環(huán)代入,直至求得滿足條件的最小的值。

2.3.2 荷載組合

對有壓城門洞形隧洞進行結(jié)構(gòu)計算,計算荷載組合及其作用分項系數(shù)分別見表3,不考慮溫度應力和灌漿壓力。

表3 隧洞鋼筋混凝土襯砌計算荷載組合表

表4 水壓力參數(shù)表

由于隧洞結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅱ級,因此結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為為1.0,城門洞隧洞結(jié)構(gòu)系數(shù)取值為1.2。

外水壓力折減系數(shù)為0.2,由于流速小,本階段不考慮洞內(nèi)動水壓力。

2.3.3 圍巖壓力

垂直均布壓力：

式中：qvk為垂直均布壓力標準值,kN/m2；B為洞室開挖寬度,m；γR為巖體重度,kN/m3。

水平均布壓力：

式中：qhk為水平均布壓力標準值,kN/m2；H為洞室開挖高度,m。

2.4 結(jié)構(gòu)應力計算結(jié)果

選取推薦的城門洞形斷面Ⅳ類圍巖進行結(jié)構(gòu)受力分析,以梁單元模擬混凝土襯砌,彈簧單元模擬圍巖及襯砌間的相互作用。分別計算襯砌在運行期（內(nèi)水壓力為22 m凈水頭）及檢修期（外水壓力為100 m凈水頭）隧洞襯砌受力變化情況。計算成果見圖1～圖4和表5。

圖1 隧洞運行期軸力圖（N）

圖2 隧洞運行期彎矩圖（N·m）

圖3 隧洞檢修期軸力圖（N）

圖4 隧洞檢修期彎矩圖（N·m）

表5 隧洞典型斷面內(nèi)力統(tǒng)計表

承載能力極限狀態(tài)設計為：

通過計算,得出各類圍巖段的隧洞裂縫計算成果見表6。根據(jù)結(jié)果可以看出,各類圍巖條件下的隧洞裂縫均小于允許裂縫寬度值0.30 mm,滿足結(jié)構(gòu)設計要求。

表6 隧洞的裂縫計算成果表

可見,城門洞型斷面在運行期和檢修期均具有較好的受力特性,能夠保證工程的安全運行。

3 結(jié)語

本文以黃南水庫至謝村源輸水工程輸水隧洞斷面及結(jié)構(gòu)設計為研究內(nèi)容,采用工程比選分析和數(shù)值計算為手段開展研究,主要結(jié)論如下：

（1）各斷面型式投資相差不大,但是基于工程地質(zhì)條件和水力輸送方式,圓形和馬蹄形斷面受力條件好的特點無法體現(xiàn),反而施工條件成為最主要的制約因素,因此推薦的城門洞型成為最優(yōu)方案。

（2）基于非線性有限元仿真,從城門洞型斷面襯砌、支護受力特征分析表明其受力條件完全滿足施工期和運行期結(jié)構(gòu)安全要求。

（3）對于城門洞型等非圓斷面形式隧洞,結(jié)構(gòu)力學法計算精度無法滿足要求,非線性有限元法對隧洞結(jié)構(gòu)建立彈塑性數(shù)值模型,對內(nèi)力進行計算分析,偏差較小,符合精度要求。