大直徑出線豎井襯砌受力分析及安全性評價

補約依呷，陳 鵬，程 普，李良權(quán)

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

隨著大型水電站建設(shè)的蓬勃發(fā)展，地下廠房的布置方案被更多采用。受地形地質(zhì)條件、樞紐布置格局等因素的影響，電纜出線往往采用豎井出線形式。得益于機械設(shè)備和施工能力的不斷提升，水電站出線豎井的深度、井筒的直徑越來越大，這類超深大直徑出線豎井的襯砌受力及變形破壞與一般的小型豎井襯砌有差異，對設(shè)計、施工、運行使用等都提出了更高的要求。近年來，與工程相適應(yīng)的大直徑出線豎井結(jié)構(gòu)研究受到業(yè)界的關(guān)注和重視，文獻[1- 8]針對不同的工程，對豎井襯砌施工技術(shù)、襯砌裂縫成因及修補等與施工相關(guān)的內(nèi)容做了介紹?？梢钥闯?，已有文獻主要集中在針對工程實際中的方案、工藝、檢測方法等的介紹，針對大直徑出線豎井襯砌的受力特性及規(guī)律研究甚少。

本文依托西部某大型水電工程，采用有限元分析軟件ANSYS，研究大直徑出線豎井襯砌應(yīng)力及變形在運行使用過程中受自重、外水壓力及溫度作用的影響，采用數(shù)值計算分析探討大直徑出線豎井襯砌的受力及破壞模式，并進行安全性評價，可供類似工程參考。

1 工程概況

西部某大型水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，左、右岸主變洞各自通過2條500 kV出線洞與地面出線場開關(guān)站連接，每個出線洞包括2個豎井洞段和2個水平洞段，出線豎井底板高程均為583.4 m，左岸地面出線場高程965.0 m，右岸1 145.0 m。豎井井身開挖直徑13 m，井壁襯砌厚度0.85 m。左岸出線豎井布置見圖1。出線豎井井身斷面見圖2。

圖1 左岸出線豎井布置

圖2 出線豎井井身斷面(單位：cm)

出線豎井所在部位圍巖為單斜地層，自上而下穿越的地層為中二疊統(tǒng)斜斑玄武巖、杏仁狀玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、角礫熔巖、柱狀節(jié)理玄武巖、凝灰?guī)r。出線豎井圍巖總體上以微透水和弱透水巖體為主，中等透水、強透水巖體主要出露在上部強卸荷帶內(nèi)和地質(zhì)構(gòu)造部位。

2 計算模型及邊界條件

以左岸1號出線豎井上段為研究對象，建立大直徑出線豎井襯砌數(shù)值計算模型。根據(jù)工程實際，左岸1號出線豎井上段井身長度約為127 m，豎井襯砌外的圍巖半徑取豎井井身直徑的3倍，圍巖簡化為均質(zhì)，采用薄層單元模擬襯砌與圍巖的相互接觸作用[9-10]。模型四周均采用法向位移約束，底部節(jié)點采用三向固定約束，模型共劃分154 118個單元，167 213個節(jié)點。有限元模型見圖3。特征點位置示意見圖4。

出線豎井襯砌采用C30混凝土，彈性模量為3.0×104MPa，密度為2 500 kg/m3，泊松比為0.167，導(dǎo)熱系數(shù)為1.74 W/(m·K)，線膨脹系數(shù)為1.0×10-5℃；圍巖彈性模量為1.5×104MPa，泊松比為0.25，導(dǎo)熱系數(shù)為3.49 W/(m·K)，線膨脹系數(shù)為1.0×10-5℃。

計算中，假定襯砌混凝土施工時圍巖已自穩(wěn)，不考慮圍巖壓力及其自重。地下水位穩(wěn)定在豎井井口以下15 m，參照DL/T 5195—2004《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》，外水壓力折減系數(shù)取0.4。襯砌外圍巖的地層溫度假定地表到地面以下20 m范圍內(nèi)為恒定溫度15 ℃，20 m以下地層溫度按照0.02 ℃/m遞增。豎井內(nèi)部溫度假定取較低值10 ℃。

圖3 有限元模型

圖4 特征點位置示意

3 計算結(jié)果分析

3.1 位移分析

出線豎井襯砌內(nèi)外壁特征點的環(huán)向和豎向位移隨深度的變化分別見圖5、6所示。從圖5、6可知，在自重、外水壓力和溫度作用下，井身襯砌環(huán)向位移整體上隨深度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，豎向位移隨深度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。內(nèi)外壁特征點應(yīng)力隨深度的變化趨勢相近，外壁特征點環(huán)向位移最大值出現(xiàn)在深度116 m處，為0.12 mm；豎向位移最

圖5 外壁特征點位移

圖6 內(nèi)壁特征點位移

大值出現(xiàn)在深度0 m處，為31.53 mm。內(nèi)壁特征點環(huán)向位移最大值出現(xiàn)在深度113 m處，為0.27 mm；豎向位移最大值出現(xiàn)在深度0 m處，為31.33 mm。此外，自重、外水壓力及溫度作用三者導(dǎo)致的位移占最終的復(fù)合位移比重為：溫度作用>外水壓力>自重。

3.2 應(yīng)力分析

出線豎井襯砌內(nèi)外壁特征點的豎向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、襯砌厚度方向剪應(yīng)力隨深度的變化分別見圖7、8。從圖7、8可知，在自重、外水壓力和溫度作用下，井身襯砌環(huán)向均呈現(xiàn)為受壓狀態(tài)，豎向均呈現(xiàn)為受拉狀態(tài)。內(nèi)外壁特征點應(yīng)力隨深度的變化趨勢相近。

圖7 外壁特征點應(yīng)力

圖8 內(nèi)壁特征點應(yīng)力

(1)井身襯砌環(huán)向壓應(yīng)力整體上沿深度方向呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢。井口0～10 m范圍內(nèi)井身襯砌環(huán)向壓應(yīng)力逐漸較??；10～110 m范圍內(nèi)井身襯砌環(huán)向壓應(yīng)力逐漸增大；110～127 m范圍內(nèi)井身襯砌環(huán)向壓應(yīng)力逐漸減小。內(nèi)、外壁特征點最大環(huán)向壓應(yīng)力分別為-5.61、-4.58 MPa。

(2)井身襯砌豎向拉應(yīng)力整體上沿深度方向呈現(xiàn)先減小后增大再平緩減小的趨勢。在靠近井身底部區(qū)域豎向拉應(yīng)力減小趨勢變快；井口0～5 m范圍內(nèi)井身襯砌豎向拉應(yīng)力逐漸減??；內(nèi)壁特征點在5～80 m 范圍內(nèi)豎向拉應(yīng)力逐漸增大；內(nèi)壁特征點在80～127 m范圍內(nèi)豎向拉應(yīng)力逐漸減小。外壁特征點在5～50 m范圍內(nèi)豎向拉應(yīng)力逐漸增大。外壁特征點在50～127 m范圍內(nèi)豎向拉應(yīng)力逐漸減小。內(nèi)、外壁特征點最大豎向拉應(yīng)力分別為1.55、0.77 MPa。

(3)自重、外水壓力及溫度作用三者導(dǎo)致的應(yīng)力占最終的復(fù)合應(yīng)力比重為：溫度作用>外水壓力>自重?？梢?，溫度作用是影響大直徑出線豎井襯砌受力的重要因素之一，以往水電站出線豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計往往忽略溫度作用的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計的不安全，相關(guān)研究[11-12]也表明溫度作用引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大，是井壁襯砌破裂的主要因素，應(yīng)考慮到水電站出線豎井井壁襯砌的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

4 安全性評價

拉壓破壞、剪切破壞是實體模型主要的2類破壞形式，參考DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》定義，表1列出了襯砌內(nèi)外壁特征點環(huán)向抗拉壓安全系數(shù)λ1、豎向抗拉壓安全系數(shù)λ2、抗剪切安全系數(shù)η的最大值和最小值。從表1可知，除內(nèi)壁特征點豎向抗拉壓安全系數(shù)λ2最小值小于1.0外，內(nèi)外壁特征點其他各項安全系數(shù)均大于1.0，表明豎井井身襯砌整體上是安全可靠的，不會出現(xiàn)明顯的破壞；局部襯砌內(nèi)壁拉應(yīng)力超過C30混凝土抗拉設(shè)計強度，但超出的量值較小，通過配筋可以滿足結(jié)構(gòu)的安全可靠性。此外，對比內(nèi)外壁特征點安全系數(shù)，外壁特征點各項安全系數(shù)均大于內(nèi)壁特征點，說明井身襯砌外壁的安全性要高于襯砌內(nèi)壁，安全評價時要重點關(guān)注襯砌內(nèi)壁。

表1 襯砌內(nèi)外壁特征點安全系數(shù)

5 結(jié) 語

本文依托西部某大型水電站，采用大型通用有限元分析軟件ANSYS，對大直徑出線豎井襯砌受力及破壞模式進行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)自重、外水壓力及溫度作用三者導(dǎo)致的位移、應(yīng)力占最終的復(fù)合位移、應(yīng)力比重：溫度作用>外水壓力>自重。溫度作用是影響大直徑出線豎井襯砌受力的主要因素，建議考慮到水電站出線豎井井壁襯砌的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

(2)豎井井身襯砌整體上是安全可靠的，不會出現(xiàn)明顯的破壞；外壁特征點各項安全系數(shù)均大于內(nèi)壁特征點，說明井身襯砌外壁的安全性要高于襯砌內(nèi)壁，安全評價時要重點關(guān)注襯砌內(nèi)壁。