王俊華

(江西省水利水電建設(shè)集團(tuán),南昌 330000)

0 引 言

我國(guó)當(dāng)前水資源儲(chǔ)量豐富,但地域之間分布極不均衡,為此,各類(lèi)引輸水工程愈發(fā)常見(jiàn),輸水隧洞是引水工程中重要的建筑物。此類(lèi)建筑物在復(fù)雜的地層中很容易因地層變化而引發(fā)襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的改變,進(jìn)而對(duì)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)受力造成極為不利的影響,甚至引發(fā)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)滲漏、沉降過(guò)大、破壞。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)滲漏及穩(wěn)定的研究開(kāi)始較早,成果頗豐,但大多集中在軟弱地層及各種沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖地層方面,對(duì)黃土地區(qū)輸水隧洞襯砌病害的研究較少。黃土對(duì)水環(huán)境改變十分敏感,黃土地層輸水隧洞局部滲漏必然引起黃土地層含水率的改變,黃土含水率增大后強(qiáng)度降低,變形增大,地質(zhì)條件惡化,進(jìn)而對(duì)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)造成不利影響。

為深入研究黃土地區(qū)輸水隧洞滲漏引發(fā)黃土地層浸水后對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)位移、沉降、應(yīng)力等影響的程度及趨勢(shì)規(guī)律,以具體輸水隧洞工程為例,擬定出5種黃土地層浸水工況,并通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)浸水黃土地層影響下輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)行為展開(kāi)分析探討,以期為該工程及同類(lèi)型地層條件下輸水隧洞滲漏防護(hù)提供借鑒參考。

1 工程概況

某輸水隧洞工程包括1條總干線和2條支線,支線又分成Y支線和S支線,其中S支線設(shè)計(jì)流量為1.3m3/s,輸水線路全長(zhǎng)35.8km,主要包括輸水隧洞和壓力管線等組成部分,沿線主要穿越侵蝕-剝蝕黃土梁峁地貌,黃土殘?jiān)皽羡职l(fā)育;隧洞洞身則處濕陷性黃土地層,輸水隧洞埋深最大超60m。結(jié)合地勘報(bào)告,區(qū)域內(nèi)黃土濕陷系數(shù)在0.02～0.03之間,雖為輕微濕陷,但考慮到黃土材料的特性,在輸水隧洞運(yùn)營(yíng)期間如果發(fā)生滲漏并浸濕黃土地層,其較為穩(wěn)定的性態(tài)便會(huì)發(fā)生改變,進(jìn)而對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成不利影響[1]。此外,該輸水管線采用有壓輸水形式,如若出現(xiàn)局部滲漏,必然引發(fā)地層濕陷以及輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)破壞等連鎖反應(yīng),在輸水壓力的持續(xù)作用下,對(duì)周?chē)h(huán)境造成惡劣影響。為此,文章通過(guò)擬定輸水隧洞不同位置滲漏工況,對(duì)有壓輸水管線滲漏引起黃土地層濕陷后隧洞結(jié)構(gòu)受力以及地層沉降等過(guò)程展開(kāi)模擬分析,確定出輸水隧洞不同位置發(fā)生滲漏對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)影響的規(guī)律性,擬定出合理的控制方案,為黃土地層輸水隧洞安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

2 模型構(gòu)建

2.1 數(shù)值模型

在全面調(diào)查工程地質(zhì)并分析地勘報(bào)告、展開(kāi)相關(guān)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了該黃土地層輸水隧洞巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的選取與確定,具體見(jiàn)表1。

結(jié)合該輸水隧洞幾何參數(shù)取值,并應(yīng)用MIDAS GTS NX有限元軟件構(gòu)建數(shù)值模型,隧洞直徑10m,設(shè)置30cm厚的C30混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建數(shù)值模型時(shí)應(yīng)將模型邊界和隧洞邊界間的距離控制在洞徑的3倍以上,以降低邊界效應(yīng)的不利影響。模型長(zhǎng)×寬×高為100m×50m×60m,結(jié)合計(jì)算要求劃分模型單元網(wǎng)格。設(shè)置模型荷載條件及邊界約束。該模型荷載主要包括圍巖巖體及隧洞襯砌結(jié)構(gòu)自重;邊界約束也就是對(duì)對(duì)模型位移及旋轉(zhuǎn)所施加約束,具體包括模型左右側(cè)x向、前后側(cè)y向上下側(cè)z向約束。周?chē)鷩鷰r通過(guò)三維實(shí)體單元及Mohr-Coulom彈塑性模型展開(kāi)模擬,襯砌結(jié)構(gòu)材料則通過(guò)二維板單元及各向同性彈性模型進(jìn)行模擬[2]。

2.2 計(jì)算工況

結(jié)合相關(guān)研究成果及初步分析結(jié)果,該輸水隧洞四周10m范圍內(nèi)的圍巖土體受黃土地層滲漏濕陷影響最為嚴(yán)重,故對(duì)該范圍內(nèi)巖土體區(qū)域進(jìn)行了劃分與編號(hào)。采用密模修正法展開(kāi)輸水隧洞周?chē)鷿裣菪渣S土局部滲漏對(duì)隧洞力學(xué)特征影響的分析,為保證分析結(jié)果的真實(shí)準(zhǔn)確,分別對(duì)輸水隧洞拱頂、拱腰、拱肩、拱腳、仰拱等部位局部滲漏展開(kāi)分析[3]。該范圍內(nèi)拱頂、拱腰、拱肩、拱腳、仰拱處局部滲漏分析工況具體見(jiàn)表2。

表2 輸水隧洞局部滲漏分析工況

3 輸水隧洞力學(xué)行為分析

3.1 襯砌結(jié)構(gòu)整體受力

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定,對(duì)于在滲流影響下易發(fā)生滲透變形、失穩(wěn)的斷層、破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育的不良地質(zhì)洞段;遇水后極易膨脹、泥化、崩解、軟化的不良地質(zhì)洞段等,設(shè)計(jì)等級(jí)應(yīng)提高一級(jí),最高為Ⅰ級(jí),并應(yīng)同時(shí)加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)防滲和止水處理[4]。為此,在該輸水隧洞內(nèi)力計(jì)算時(shí),采用Ⅰ級(jí)的水工工程設(shè)計(jì)等級(jí),在按受拉承載力確定素混凝土結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)基本組合時(shí),安全系數(shù)取1.45。根據(jù)對(duì)隧洞初期支護(hù)彎矩圖及軸力圖的分析,該輸水隧洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力薄弱點(diǎn)位安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3,根據(jù)表中結(jié)果,該黃土地層浸水工況下輸水隧洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)符合規(guī)范。

表3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力薄弱點(diǎn)位安全系數(shù)

為簡(jiǎn)化分析,此處忽略運(yùn)營(yíng)工況,僅計(jì)算檢修情況下輸水隧洞二襯結(jié)構(gòu)受力情況,結(jié)合《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及該輸水隧洞建筑物設(shè)計(jì)等級(jí),在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本荷載組合下二襯安全系數(shù)取1.35,受力薄弱點(diǎn)位安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)表中結(jié)果,輸水隧洞二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)符合規(guī)范。

表4 二襯結(jié)構(gòu)受力薄弱點(diǎn)位安全系數(shù)

3.2 輸水隧洞水平位移

通過(guò)對(duì)該黃土地層浸水工況影響下輸水隧洞局部滲漏水平位移云圖的分析看出,隧洞不同區(qū)域局部滲漏所引發(fā)的水平位移均較小,且與滲漏發(fā)生前的狀況相比,水平位移主要出現(xiàn)在兩側(cè)拱腰位置。在工況1下,拱頂出現(xiàn)局部滲漏后,兩側(cè)拱腰均在水平向向外側(cè)呈一定程度的敞開(kāi)態(tài)勢(shì),但水平位移量均未超出1.70mm;單側(cè)拱肩、拱腰及拱腳出現(xiàn)局部滲漏后,兩側(cè)拱腰表現(xiàn)出小幅度位移。在工況5下,仰拱處出現(xiàn)局部滲漏,兩側(cè)拱腰均于水平向持續(xù)向內(nèi)收縮,且水平收縮量位于0.82～0.94mm之間。其余工況下輸水隧洞各部位均未出現(xiàn)明顯的水平位移,故不予分析。綜合以上結(jié)果可以看出,該輸水隧洞黃土地層浸水后局部滲漏所引發(fā)的襯砌結(jié)構(gòu)水平位移主要出現(xiàn)在拱腰,且水平位移值較小,故應(yīng)將分析重點(diǎn)放在豎向位移及地表沉降等方面。

3.3 輸水隧洞豎向位移

不同滲漏工況下輸水隧洞圍巖位移均主要表現(xiàn)為豎向位移,結(jié)合局部滲漏豎向位移云圖及測(cè)點(diǎn)豎向位移值的模擬結(jié)果(表5)可以看出,黃土地層浸水工況下的輸水隧洞豎向位移受局部滲漏的影響較大,且隧洞拱頂、拱肩、拱腳、拱腰及仰拱等處豎向位移均表現(xiàn)為下沉。當(dāng)拱頂處表現(xiàn)出滲漏時(shí)(即工況1),輸水隧洞其余部位位移均圍繞隧洞軸線呈對(duì)稱(chēng)分布,最大位移(7.12mm)出現(xiàn)在拱頂處;拱肩、拱腰及拱腳處豎向位移取值均較為接近;仰拱處豎向位移最小,為3.40mm。當(dāng)拱肩處出現(xiàn)滲漏時(shí)(即工況2),最大豎向位移(5.93mm)出現(xiàn)在拱肩,而拱頂、拱腰及拱腳處豎向位移值均較為接近,最小豎向位移(3.21mm)出現(xiàn)在仰拱處;當(dāng)拱腰處出現(xiàn)滲漏時(shí)(即工況3),拱頂處豎向位移僅為3.55mm,最大豎向位移(4.53mm)出現(xiàn)在拱腰,最小豎向位移(2.80mm)仍發(fā)生在仰拱處;當(dāng)拱腳處出現(xiàn)滲漏時(shí)(即工況4),拱腳處豎向位移最大,為4.93mm,拱頂與仰拱處豎向位移一致,且均為最小;當(dāng)仰拱處出現(xiàn)滲漏時(shí)(即工況5),最大豎向位移(5.21mm)出現(xiàn)在仰拱處,其余部位豎向位移均相對(duì)較小[5]。

表5 輸水隧洞局部滲漏豎向位移模擬結(jié)果 mm

通過(guò)匯總分析不同工況下輸水隧洞豎向位移可以看出,在隧洞黃土地層浸水且出現(xiàn)局部滲漏后,滲漏處隧洞襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移取值最大,除仰拱處豎向位移值最小外,其余部位豎向位移值均較為接近。結(jié)合輸水隧洞運(yùn)行實(shí)際,拱頂發(fā)生滲漏的情況一般較為少見(jiàn),故對(duì)出現(xiàn)滲漏問(wèn)題的輸水隧洞實(shí)施防護(hù)加固時(shí),應(yīng)以拱肩和拱腳為重點(diǎn)。

3.4 地表沉降

通過(guò)對(duì)該輸水隧洞黃土地層浸水工況下局部滲漏區(qū)域地表沉降模擬結(jié)果的分析,可以得出該隧洞不同區(qū)域局部滲漏下的地表沉降值,具體見(jiàn)表6。由表可知,對(duì)于不同部位發(fā)生局部滲漏的輸水隧洞而言,地表沉降存在較大差異;其中工況1拱頂出現(xiàn)滲漏、工況5仰拱發(fā)生滲漏,且均因滲漏位置關(guān)于隧洞軸線對(duì)稱(chēng),地表沉降也圍繞隧洞軸線而呈對(duì)稱(chēng)布置。隧洞側(cè)拱肩、拱腰、拱腳發(fā)生滲漏后均會(huì)對(duì)地表沉降造成較大影響,且沉降量隨滲漏位置埋深的增大而減小;最大沉降位置也隨滲漏部位的改變而向滲漏側(cè)移動(dòng)。故在分析輸水隧洞地表沉降受局部滲漏影響的過(guò)程中,必須加強(qiáng)對(duì)拱頂、拱肩、拱腰處滲漏的重點(diǎn)防護(hù)[6-7]。

3.5 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力

該輸水隧洞不同區(qū)域黃土地層發(fā)生滲漏后襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。根據(jù)對(duì)表中數(shù)據(jù)的分析,在該隧洞出現(xiàn)局部滲漏后,拱頂及仰拱周?chē)詨簯?yīng)力為主,拱腰處則以拉應(yīng)力為主。對(duì)于不同浸水工況,隧洞襯砌結(jié)構(gòu)最大最小主應(yīng)力取值也不盡相同,最大主應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)拱腰處;最小主應(yīng)力則出現(xiàn)在仰拱處,并隨浸水位置的下移其量值呈減小趨勢(shì),表明黃土地層浸水工況對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響程度逐漸減小。

表6 輸水隧洞局部滲漏地表沉降模擬結(jié)果 mm

表7 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

在該輸水隧洞拱頂出現(xiàn)滲漏后襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力值最大,仰拱處出現(xiàn)滲漏后襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力值最小;隧洞不同部位黃土地層浸水工況下的滲漏對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響相差不大,且均會(huì)對(duì)拱頂和仰拱造成壓應(yīng)力,對(duì)拱腰造成拉應(yīng)力。當(dāng)輸水隧洞單側(cè)出現(xiàn)局部滲漏,則滲漏側(cè)應(yīng)力必將大于未滲漏側(cè)應(yīng)力。由此可見(jiàn),輸水隧洞局部滲漏必將引發(fā)滲漏側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)較大應(yīng)力,為保證輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)安全,必須加強(qiáng)防護(hù)。

4 結(jié) 論

綜上所述,黃土地層輸水隧洞在運(yùn)行過(guò)程中一旦發(fā)生滲漏,滲漏點(diǎn)位周?chē)S土因吸收水分后含水率及穩(wěn)定性等均會(huì)發(fā)生改變,必然會(huì)對(duì)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性造成不利影響。為此,通過(guò)數(shù)值模擬分析確定出可能的滲漏點(diǎn)位及區(qū)域的基礎(chǔ)上,必須采取針對(duì)性強(qiáng)且有效的防護(hù)加固措施,為輸水隧洞安全運(yùn)行提供保證。就該工程而言,參照相關(guān)規(guī)范并借鑒類(lèi)似工程施工經(jīng)驗(yàn),可以采用拱部超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)、全環(huán)型鋼鋼架初支+噴層+系統(tǒng)錨桿+墊層、C30鋼筋混凝土二襯等襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu),襯砌加固效果有待進(jìn)一步研究與驗(yàn)證。