襯砌混凝土等級對輸水隧洞地震響應的影響研究

柳 頌

(東港市水利事務服務中心，遼寧 丹東 118300)

1 工程背景

柴河水庫位于遼寧省鐵嶺市境內，距離市區(qū)約15 km，是遼河一級支流柴河上的一座以防洪灌溉為主，兼具養(yǎng)殖和發(fā)電等諸多功能的綜合性大型水利樞紐工程[1]。水庫集雨面積1355.00 km2，總庫容6.36億m3，興利庫容3.36億m3，是鐵嶺市的重要水源地水庫。柴河供水工程的主體為輸水隧洞工程、分水點事故檢修閘門井工程、鐵嶺新城區(qū)支線出口閥井工程，隧洞全長14649.43 m，控制樁號為S21+550.000～S28+550.000、T0-090.736～T7+558.694，縱坡i=0.099‰、i=0.307‰。隧洞為有壓隧洞，采用鉆爆法開挖，成洞斷面為圓形D=3.90 m。工程所在地遼寧省鐵嶺市位于郯城-營口地震帶上，地震活動比較頻繁，基本烈度為7度。2013年8月11日在鐵嶺開源市附近發(fā)生3.0級地震，雖然近幾十年來，鐵嶺市境內地震活動總體比較平靜，但是并不能排除在未來發(fā)生震級較大的破壞性地震的可能性。因此，對輸水隧洞的地震響應展開研究具有十分重要的意義和價值。

2 輸水隧洞有限元模型的建立2.1 計算軟件的選取

目前，國際上比較常用的有限元軟件有ANSYS、ABAQUS、ASKA、ADINA等很多種類，這些軟件不僅包含適合各種計算工況與復雜工程條件的分析程序，同時也具有十分強大的前處理和后處理模塊[2]。其中ANSYS軟件是一款整合了結構、電場、聲場、磁場、流體等眾多模塊的大型有限元分析軟件。該軟件由前處理模塊、分析計算模塊以及后處理模塊組成，可以十分方便的進行工程研究中的有限元模型構造，研究對象的分析計算以及結果的呈現。因此，本次研究選用ANSYS軟件進行輸水隧洞的有限元模型構建。

2.2 隧洞模型的構建

柴河水庫輸水工程的輸水隧洞為圓形，洞徑3.90 m。在利用有限元模型進行地震響應分析過程中，不少學者對計算邊界這一重要影響因素進行了深入研究，并提出了諸多觀點，其中最為常見的是阻尼邊界、一致邊界以及無限遠邊界等[3-4]。當然，從計算精確度層面來講，模型計算區(qū)域越大越好，但是受到計算手段和復雜程度等諸多因素的影響，需要確定一定的豎向計算范圍和橫向計算寬度。此次研究結合相關學者的研究成果，模型的左右邊界各延伸10倍洞徑[5]。隧洞底部以下取3倍洞徑，上部為至地表。模型的四周采取法向剛性約束，底部采取固定約束，頂部為自由邊界條件，水體與襯砌的接觸面設置為流固耦合界面[6]。在構建模型時，隧洞周圍的巖體體和襯砌采取PLANE42 單元進行模擬，隧洞內部的水體利用FLUID29 單元進行模擬，模型共劃分為1280個計算單元，1345個計算節(jié)點，其計算模型如圖1所示。在輸水隧洞的拱頂、左拱腰、左邊墻、左墻腳、仰拱、右拱腰、右邊墻、右墻腳以及拱頂部位分別設置八個監(jiān)測點，各監(jiān)測點的位置如圖2所示。

圖1 模型網格剖分示意圖

圖2 監(jiān)測點布置示意圖

2.3 地震波的選取和載入

由于項目所在地的強震記錄資料缺乏，因此研究中選取國際上常用的EL.Centro 地震的加速度記錄。由其中的地震波加速圖譜可知，前8 s的地震響應最大，因此，本次研究選取前8s的地震加速度譜對輸水隧洞的地震響應進行分析。由于項目所在地的地震烈度較高，特選取地震烈度為9度，也就是地震波幅值為0.15 g，豎向取水平向的2/3，對模型施加水平向地震激勵和豎向地震激勵以及兩個方向共同施加，以獲得不同方向地震激勵條件下的輸水隧洞動力影響的應力應變特征。結合研究對象的實際特點和相關研究成果，本次研究選取瑞利阻尼，其臨界阻尼比按照經驗值的5%選取[7]。

2.4 流固耦合方式的設置

流體和固體之間的動力相互作用是水利工程研究設計中的重要問題，并主要表現為兩種基本形態(tài)：一是以滲流問題為代表的流體域與固體域之間相互重疊的問題；二是兩者在交界面上發(fā)生的耦合作用，如液體與裝載液體的容器之間的耦合作用。顯然本次研究屬于第二種形態(tài)。關于流固耦合主要有順序耦合以及直接耦合兩種方法。本次研究中利用FLUID29 聲學流體單元對輸水隧洞中的水體進行模擬，利用直接耦合法進行流固耦合場的分析。

2.5 計算工況與計算參數

本次研究的主要內容是采用不同混凝土材料時對輸水隧洞地震響應產生的影響，因此分別選取C25、C30、C40和C50四種不同的襯砌混凝土等級進行數值模擬計算，其襯砌材料和周圍巖土體的物理力學參數如表1所示。

表1 襯砌材料和周圍巖土體的物理力學參數表

3 計算結果與分析

3.1 位移計算結果與分析

對四種不同工況下的輸水隧洞襯砌各個監(jiān)測點的水平位移量進行計算，獲得如表2所示的監(jiān)測點水平位移峰值計算結果。由表格中的數據可以看出，在不同工況下，輸水隧洞襯砌各關鍵部位的水平位移峰值變化不大，說明混凝土等級的變化對輸水隧洞位移的影響有限，也就是增大襯砌剛度對抑制地震應力作用下的輸水隧洞變形的作用并不明顯。

表2 不同工況下各監(jiān)測點水平位移峰值計算結果 mm

3.2 加速度計算結果與分析

對四種不同工況下的輸水隧洞襯砌各個監(jiān)測點的水平加速度進行計算，獲得如表3所示的監(jiān)測點水平加速度峰值計算結果。由表格中的數據可以看出，在不同工況下，輸水隧洞襯砌各關鍵部位的水平加速度峰值變化不大，說明混凝土等級的變化對輸水隧洞水平加速度影響有限，也就是增大襯砌剛度對抑制地震應力造成的水平加速度作用極為有限。

表3 不同工況下各監(jiān)測點水平加速度峰值計算結果 m/s2

3.3 主應力計算結果與分析(剛度因素)

為了研究混凝土等級對地震響應的影響，研究中針對四種不同工況下的各監(jiān)測點的主應力進行模擬計算，根據計算結果繪制出各監(jiān)測點的第一主應力峰值和第三主應力峰值的變化曲線，如圖3、圖4所示。由圖可知，在所有四種不同工況下，輸水隧洞的拱腰與墻腳部位的主應力峰值較大，說明上述部位是輸水隧洞在地震應力作用下的薄弱部位；隨著輸水隧洞襯砌用混凝土等級的增加，各個監(jiān)測點的主應力峰值也呈現出增加態(tài)勢。以左墻腳為例，襯砌為C25混凝土時，第一主應力峰值為1.536 MPa，第三主應力峰值為-1.571 MPa；采用C30混凝土時，第一主應力峰值為1.627 MPa，第三主應力峰值為-1.659 MPa分別增加5.92%和5.62%；采用C40混凝土時，第一主應力峰值為1.717 MPa，第三主應力峰值為-1.747 MPa，相對于C25混凝土分別增加11.78%和1.23%；采用C50混凝土時，第一主應力峰值為1.786 MPa，第三主應力峰值為-1.815 MPa，相對于C25混凝土分別增加16.28%和15.53%。

基于上述分析，提高輸水隧洞混凝土襯砌的等級，會使地震應力作用下的輸水隧洞應力增大。鑒于混凝土材料具有顯著的脆性特征，因此增加輸水隧洞襯砌混凝土的剛度并不利于隧洞本身抗震性能的改善。馬宏偉[8]在相關研究中利用級數展開法研究了地震波作用下圓形輸水隧洞地震響應，結果顯示提高混凝土等級有助于減小輸水隧洞襯砌承受的動水壓力，但是會增加環(huán)向和軸向動應力，因而不利于抗震性能改善。本次研究獲得相似的結論，也就是提高輸水隧洞混凝土等級會造成襯砌應力增加，反而不利于抗震性能的改善。建議在輸水隧洞施工中采用C25混凝土進行襯砌施工，并結合外部抗震帶等其他工程措施，改善輸水隧洞的抗震性能。

圖3 第一主應力峰值計算結果

圖4 第三主應力峰值計算結果

4 結 論

此次研究以遼寧省柴河供水工程輸水隧洞為工程背景，通過ANSYS有限元分析的方法，對襯砌混凝土等級對輸水隧洞地震響應的影響進行數值模擬研究，并獲得如下主要結論：

(1)襯砌混凝土等級的變化對輸水隧洞水平位移和水平加速度的影響有限，增大襯砌混凝土等級對抑制地震條件下輸水隧洞變形的作用并不明顯。

(2)提高輸水隧洞混凝土襯砌的等級，會使地震應力作用下的輸水隧洞應力增大，不利于隧洞本身抗震性能的改善。

(3)建議采用C25混凝土進行輸水隧洞襯砌施工，同時結合外部抗震帶等其他工程措施，改善輸水隧洞的抗震性能。