張迪

（朝陽縣水務(wù)局，遼寧 朝陽 122000）

0 引言

我國的淡水資源比較豐富，但存在顯著的時空分布不均的問題，給水資源價值的有效發(fā)揮造成諸多困難，同時也是我國水資源供需矛盾的主因之一。針對這一情況，我國大力推進(jìn)跨流域調(diào)水工程建設(shè)，以有效緩解水資源空間分布不均的問題。在長距離調(diào)水工程中，長大輸水隧洞建設(shè)幾乎不可避免。在長大輸水隧洞建設(shè)過程中，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件給施工和運行維護(hù)帶來技術(shù)層面的更高要求。

地震是地殼能量迅速釋放的過程，其產(chǎn)生的地震波作為能量載體，具有影響范圍廣、破壞能力強的特點，是地震高發(fā)區(qū)人類工程建設(shè)活動中必須要考慮的重要因素。長期以來，人類的建設(shè)活動主要集中于地表，因此，抗震技術(shù)的研究也主要針對地表建筑開展，針對地下工程抗震技術(shù)的研究不多[1]。

我國位于全球兩大主要地震帶之間，屬于多地震國家，地震斷裂帶也十分活躍。在長距離輸水隧洞建設(shè)過程中，往往會穿過地震多發(fā)區(qū)，輸水隧洞一旦在地震中發(fā)生破壞，不僅會造成嚴(yán)重的災(zāi)害性影響，并且維修十分困難[2]。因此，開展輸水隧洞抗震和減震研究具有重要理論意義和工程價值。在水工隧洞抗震設(shè)計中，設(shè)置減震層是當(dāng)前最常見和最有效的工程措施。減震層可以有效隔開輸水隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖，減小或改變地震波對襯砌結(jié)構(gòu)的作用強度和方式，以達(dá)到減小結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的目的[3]。泡沫混凝土作為常用的隔震層材料，具有施工成本低、施工技術(shù)簡單的優(yōu)勢[4]。此次研究以具體工程為背景，利用數(shù)值模擬的方式探討泡沫混凝土隔震層厚度對抗震效果的影響，以便為相關(guān)理論研究和工程應(yīng)用提供支持和借鑒。

1 有限元計算模型

1.1 計算模型的構(gòu)建

此次研究借助ANSYS 大型通用有限元軟件進(jìn)行輸水隧洞有限元模型的構(gòu)建，利用數(shù)值模擬的方式對不同隔震層厚度條件下的地震響應(yīng)特征進(jìn)行分析[5]。以遼寧省某重點跨流域調(diào)水工程輸水隧洞為例進(jìn)行幾何模型的構(gòu)建。該輸水隧洞的斷面為馬蹄型，高度為4.22 m，水平寬度為3.60 m，初期支護(hù)為錨噴結(jié)構(gòu)，噴射混凝土的厚度為5 mm，二次襯砌為C40 混凝土，厚度為0.40 m。在幾何模型的構(gòu)建過程中，模型的左右邊界均取與軸線距離50.00 m，豎向上至地表、下至基巖。在模型的網(wǎng)格剖分過程中，巖土體和襯砌結(jié)構(gòu)均采用PLANE42 單元進(jìn)行模擬，隧洞運行中的內(nèi)水采用FLUID29 單元模擬，水體和襯砌的接觸面設(shè)置為流固耦合界面。整個模型劃分為11 256個網(wǎng)格單元，13 667個節(jié)點。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

1.2 邊界條件和模型參數(shù)

邊界條件在有限元分析中十分重要，針對動力響應(yīng)研究，彈簧-阻尼器邊界可以有效模擬彈性恢復(fù)能力，不僅可以有效克服粘性邊界的低頻漂移，同時又能克服透射邊界的高頻失穩(wěn)[6]。因此，此次研究中采用彈簧-阻尼器邊界。在ANSYS 軟件中提供有多種阻尼，其中常用阻尼有瑞利阻尼、粘性阻尼和材料阻尼。鑒于瑞利阻尼在動力分析中應(yīng)用較多，因此，研究中選擇瑞利阻尼[7]。研究中以背景工程的實際情況為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗，模型材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

1.3 地震波輸入

在動力響應(yīng)分析過程中，地震波的輸入種類和方式會對計算結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。因此，為了保證計算結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，必須要科學(xué)選擇地震波。結(jié)合背景工程的實際情況，選取美國1940 年El-Centro 波南北向加速度記錄，其峰值加速度為341.7 cm/s2，時間間隔為0.02 s，持續(xù)時間30 s[8]。研究中截取其中前20 s 的1 000 個數(shù)據(jù)記錄，其加速度時程曲線如圖2 所示，地震輸入方式為水平方向一致。

圖2 地震波加速度時程曲線

1.4 計算方案

為了研究泡沫混凝土減震層厚度對背景工程輸水隧洞地震響應(yīng)的影響，此次研究中以彈性模量為2.03 GPa 的泡沫混凝土為基準(zhǔn)，減震層厚度為0，5，10，15，20，25 和30 cm 等7 種不同厚度的計算方案進(jìn)行計算，通過對計算結(jié)果的對比分析，獲得最佳減震層厚度方案。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 結(jié)構(gòu)位移

利用構(gòu)建的有限元模型，對不同減震層厚度條件下的隧洞結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行模擬計算，從計算結(jié)果中提取出X向、Z向以及XZ向地震作用下襯砌水平和豎向位移的最大值，結(jié)果如表2 所示。由表2 可以看出，在X向地震作用下，水平位移和豎向位移的最大值隨著減震層厚度的增加并無明顯的變化。其中，水平位移呈現(xiàn)出小幅增加的態(tài)勢，而豎向位移在減震層厚度為15 cm 和20 cm 時最??；在Z向地震作用下，豎向位移和水平位移的變化量不大，但是豎向位移量的整體水平顯著大于豎向位移。由此可見，在Z向地震波的作用下，豎向位移在襯砌位移中起到了決定性的作用；在Z向地震波的作用下，豎向位移和水平位移變化不大，各方案的計算結(jié)果十分接近，僅從峰值位移值并不能發(fā)現(xiàn)明顯的變化規(guī)律。

表2 襯砌位移最大值計算結(jié)果

2.2 加速度

利用構(gòu)建的有限元模型對不同減震層厚度方案條件下的襯砌結(jié)構(gòu)加速度進(jìn)行模擬計算，在計算結(jié)果中提取8 個關(guān)鍵部位的加速度峰值，結(jié)果如表3 所示。從表3 可以看出，除個別點位之外，大部分計算點位的加速度峰值均呈現(xiàn)出類似的變化規(guī)律。隨著減震層厚度的增加，各點位的加速度峰值呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。當(dāng)減震層厚度為15 cm 時，各個計算點位的加速度峰值相對較小，可以取得相對較好的減震效果。

表3 加速度峰值計算結(jié)果

2.3 主應(yīng)力

利用構(gòu)建的有限元模型對不同減震層厚度方案條件下的襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力進(jìn)行模擬計算，在計算結(jié)果中提取8 個關(guān)鍵部位的最大主應(yīng)力最大值，結(jié)果如表4 所示。從表4 的計算結(jié)果來看，隨著減震層厚度的增加，最大主應(yīng)力峰值也呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點，當(dāng)減震層厚度為15 cm 時，各地震波方向、各關(guān)鍵部位的最大主應(yīng)力最大值最小，對提高襯砌結(jié)構(gòu)的抗震性能有利。

表4 最大主應(yīng)力最大值計算結(jié)果

3 結(jié)語

設(shè)置減震層是改善輸水隧洞抗震性能的重要方式和手段，對其進(jìn)行研究和分析具有重要意義。此次研究以具體工程為依托，利用數(shù)值模擬的方式，探討和分析了泡沫混凝土減震層厚度對輸水隧洞襯砌抗震性能的影響。計算結(jié)果顯示，當(dāng)減震層厚度為15 cm 時的抗震效果最佳，因此，建議在地震區(qū)輸水隧洞工程施工設(shè)計時采用厚度為15 cm的泡沫混凝土減震層。此次僅針對泡沫混凝土隔震層展開研究，目前可用于減震層的材料較多，后續(xù)研究中可以針對不同減震層材料進(jìn)行對比研究，以進(jìn)一步提高研究成果的實用價值。