水工隧洞復(fù)合襯砌變形研究

張敬博 車高鳳

摘要：文章以云南臨滄市某無壓輸水隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，利用ANSYS軟件進(jìn)行建模，分別對比初始地應(yīng)力及考慮襯砌與圍巖聯(lián)合承載作用下的模擬成果，研究水工輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的變形特征，以期對同類型的輸水隧洞設(shè)計施工提供一定的指導(dǎo)意義和參考價值。

關(guān)鍵詞：水工隧洞;復(fù)合襯砌;有限元

中圖分類號：TV672⁺.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2021）02-0159-04

水工隧洞是水利樞紐中的重要組成部分之一，其結(jié)構(gòu)一般由巖石和混凝土兩種材料組成，在外荷載作用下這兩種材料一般表現(xiàn)出較為明顯的非線性性質(zhì)。隧洞在外荷載的作用下變位一般較小，不存在大應(yīng)變產(chǎn)生的非線性問題。在水工隧洞的設(shè)計中，大量的非線性問題是由材料的塑性等性質(zhì)產(chǎn)生的，特別是某些復(fù)雜巖石材料，其非線性特性更加明顯。

研究水工隧洞的非線性問題，對隧洞的安全至關(guān)重要。目前國內(nèi)外對水工隧洞的非線性問題研究較多：高百超以遼寧安大風(fēng)口水庫的輸水隧洞為研究對象，進(jìn)行大變形處置時機(jī)的研究，得出最佳大變形處治時機(jī);李若奇等對云南柳樹箐尾礦堆積壩排水隧洞進(jìn)行研究，通過數(shù)值模擬方法建立了堆載與排水隧洞之間的三維模型，分析下伏地層中排水主洞襯砌和圍巖之間的襯砌的變形特征;王元明利用ANSYS軟件建立V類圍巖輸水隧洞的有限元模型，分析隧洞分別在正常運(yùn)行和檢修兩種不同工況下的應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài);張敬博等通過對于水工隧洞中有限元模型的建立，探討單元生死在水工隧洞模型中的應(yīng)用及特點(diǎn);于洋等通過對錦屏水電站引水隧洞施工中的圍巖變形量進(jìn)行分形，得出深部巖體隧洞開挖時，圍巖形變在時間上具備分形特征，且有較明顯的自相似結(jié)構(gòu)特征;劉杰等利用FLAC3D軟件，采用理想彈塑性模型，得出不同開挖洞型的引水隧洞數(shù)值模擬分析。

基于前人的研究經(jīng)驗(yàn)，本文以云南省臨滄市某無壓輸水隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，利用有限元軟件ANSYS，分別對比初始地應(yīng)力及考慮襯砌與圍巖聯(lián)合承載作用下的模擬成果，對復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性有限元分析，通過分析研究結(jié)構(gòu)設(shè)計成果并從中得到一些有用結(jié)論，以期對同類型的輸水隧洞設(shè)計施工提供一定的指導(dǎo)意義和參考價值。

1ANSYS軟件中單元生死技術(shù)

在數(shù)值模擬過程中，如果模型中添加或刪除材料，模型中相應(yīng)的單元就存在或消失，把這種單元的存在與消失的情形定義為單元生死。單元生死功能主要用于開挖分析、順序組裝、建筑物施工以及許多其他方面的應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)單元生死效果，ANSYS軟件是用一個很小的因子ESTIF乘以其剛度矩陣，因子ESTIF的默認(rèn)值一般為10E-6，也可以賦予其他數(shù)值。死單元的單元荷載將為0，從而不對荷載向量生效（但任然在單元荷載列表中出現(xiàn)）。同樣，死單元的阻尼、質(zhì)量、比熱和其他類似參數(shù)也設(shè)置為0。一旦單元被殺死，單元應(yīng)變也就設(shè)為0。

2工程簡況

本項(xiàng)目中輸水隧洞有限元計算的主要參數(shù)如下：隧洞為圓拱直墻型無壓隧洞，洞跨3.6m，洞高3.2，拱高1.8m，埋深在20～100m之間，隧洞圍巖等級為Ⅳ級;初期支護(hù)采用0.2m厚C20混凝土錨噴支護(hù)，錨桿為qb25，長2m;隧洞二次襯砌為C20鋼筋混凝土，厚度為0.3m，沿隧洞斷面布設(shè);圍巖及混凝土材料采用Druck-Prager模型;Ⅳ類圍巖隧洞襯砌結(jié)構(gòu)如圖1所示。相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)見表1所示。

3有限元模型建立

3.1計算假設(shè)和簡化

本次計算，根據(jù)實(shí)際情況，對模型進(jìn)行以下假設(shè)和簡化處理：

1）假設(shè)圍巖是各向同性的理想彈塑性材料。

2）隧洞及圍巖的受力和變形是平面應(yīng)變問題。

3）巖體初始應(yīng)力場不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮其自重應(yīng)力。

4）將初期錨噴支護(hù)范圍等效為一個錨噴支護(hù)圍巖加固圈。

5）不考慮圍巖與錨桿、圍巖與襯砌、襯砌與錨桿的接觸問題。

6）不考慮地震荷載、溫度荷載和施工期荷載的影響。

3.2模型建立過程

1）在ANSYS前處理模塊中設(shè)置材料屬性和單元屬性。分別采用PLANE42單元、BEAM3單元模擬圍巖和襯砌;在材料屬性中輸入圍巖、鋼筋混凝土、錨噴支護(hù)加固圈的彈性模量、泊松比、密度等;為了顯示材料的非線性，還要輸入圍巖和混凝土的粘聚力、內(nèi)摩擦角及膨脹角。

2）在前處理模塊中建立模型。在模型的左右邊界節(jié)點(diǎn)施加x方向約束，在下邊界施加Y方向約束;在整個模型范圍施加重力荷載。

3）在加載求解模塊中設(shè)定求解條件，打開大位移開關(guān)等，并設(shè)定荷載步分步進(jìn)行計算。首先計算只考慮自重的初始地應(yīng)力，然后計算開挖支護(hù)后模型變形及內(nèi)力。

4）在后處理模塊中分別查看step-1和step-2的計算結(jié)果。

3.3有限元模型

本次計算模型為圓拱直墻城門洞型無壓水工隧洞，洞高3.2m，洞跨3.6m，拱高1.8m;以頂拱圓心為原點(diǎn)建立有限元模型;計算范圍取隧洞四周5倍洞跨，40mX40m;初期支護(hù)為0.2m厚C20混凝土錨噴支護(hù)，錨桿為φ25;二次襯砌采用0.3m厚C20鋼筋混凝土襯砌。具體情況如圖2、3所示。

4計算成果及分析

分別對比初始地應(yīng)力及隧洞開挖襯砌模擬成果，在模擬中，對圍巖的初始地應(yīng)力進(jìn)行簡化處理，巖體初始應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力，而不考慮圍巖構(gòu)造應(yīng)力。其中，圖4、圖6分別為圍巖在僅考慮初始地應(yīng)力時的x、Y方向位移云圖，圖8為總位移分布云圖，圖5、圖7、圖9為隧洞開挖襯砌后x、Y方向位移分布及總位移云圖。

通過上圖可以看出：在初始地應(yīng)力作用下，圍巖x方向初始最大位移在O.013mm左右，Y方向初始最大位移在4mm左右，總的位移值為4mm;開挖襯砌后x方向的最大位移值為0.0442mm，Y方向的最大位移值為4.02mm，總的位移值為4.02mm。

對比初始地應(yīng)力作用下和開挖支護(hù)后地層變形圖，可以看出：x方向在僅考慮初始地應(yīng)力及考慮襯砌與圍巖聯(lián)合承載作用下的模擬成果應(yīng)變值整體較小，開挖前和開挖支護(hù)后最大位移量相差0.0312mm，相差值不大，說明開挖襯砌對x方向的變形影響較小。由圖6～9可知，Y方向的最大位移值及總位移最大值均出現(xiàn)在拱圈附近。Y方向在僅考慮初始地應(yīng)力及考慮襯砌與圍巖聯(lián)合承載作用下的模擬成果應(yīng)變值整體較x方向大些，開挖襯砌對Y方向的變形影響較x方向大些，開挖前后最大豎向位移都在拱圈附近。

5結(jié)語

圓拱直墻隧洞變形以豎向變形為主，最大豎向位移主要集中在拱圈，因?yàn)楣叭κ且r砌中主要承擔(dān)垂直圍巖壓力的部分。為了預(yù)防拱圈部分出現(xiàn)較大變形，在施工過程中應(yīng)進(jìn)行加厚，從而限制襯砌出現(xiàn)過大豎向變形。直墻以水平方向的圍巖壓力為主，而豎向位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于拱圈，因此，決定結(jié)構(gòu)變形的主要因素為垂直圍巖壓力。圓拱直墻隧洞開挖支護(hù)后塑形應(yīng)變最大的區(qū)域在拱頂附近，其他區(qū)域的塑形應(yīng)變較好，說明把隧洞洞腰做成直墻形式有利于保持圍巖穩(wěn)定性。