基于數(shù)值模擬的引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)破壞特征分析

毛曉超

(吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計院，江西 吉安 343000)

1 工程概況

某引水隧洞地貌類型為侵蝕堆積一級階地地貌，圍巖等級主要為Ⅴ、Ⅳ2、Ⅳ1，地形較平坦；隧洞范圍主要位于微風(fēng)化地層中，覆土厚度約為35～45 m。

該引水隧洞采用錯縫拼裝，襯砌環(huán)由6塊C55混凝土管片通過12根M24彎螺栓拼裝而成，管片厚度300 mm，隧道外徑6000 mm，內(nèi)徑5400 mm，環(huán)向?qū)挾?.2 m。

地下水以風(fēng)化裂隙水及構(gòu)造裂隙水為主，主要以層狀、帶狀賦存于巖石的強風(fēng)化帶、中等風(fēng)化～微風(fēng)化的節(jié)理發(fā)育帶及構(gòu)造破碎帶中，由于裂隙發(fā)育不均勻，其富水性不均勻，在局部構(gòu)造發(fā)育帶處地下水賦存較豐富，且具一定的承壓性，在洞室開挖過程中會表現(xiàn)為線狀水流或突涌的現(xiàn)象[1-5]。

2 材料與方法

以引水隧洞的管片襯砌結(jié)構(gòu)為研究對象，建立有限元模型，管片襯砌結(jié)構(gòu)的材料相關(guān)參數(shù)如表1所示，其有限元模型及監(jiān)測點如圖1所示。

圖1 引水隧洞模型

表1 管片襯砌結(jié)構(gòu)的材料相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)果分析

為驗證采用有限元軟件對引水隧洞管片襯砌結(jié)構(gòu)進行分析的準(zhǔn)確性，開展襯砌接頭荷載試驗，對比孔深為15 cm時的管片襯砌結(jié)構(gòu)接頭張開量，內(nèi)水壓-接頭張開變化量見圖2。

圖2 內(nèi)水壓-接頭張開變化量曲線

不同位置的接頭張開量變化趨勢具有一定的差異性，上部接縫的接縫張開變化量與其內(nèi)水壓間呈正相關(guān)關(guān)系，隨著內(nèi)水壓的增大，其接縫張開量逐漸增大；下部接縫的接縫張開變化量與其內(nèi)水壓間呈負相關(guān)關(guān)系，隨著內(nèi)水壓的增大，接縫張開量逐漸減?。徽f明在內(nèi)水壓作用下，管片襯砌結(jié)構(gòu)的上部接頭呈張開狀態(tài)，下部接頭呈壓縮狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)水壓較小時，管片襯砌結(jié)構(gòu)的接縫張開變化量變化趨勢較為平緩，隨著內(nèi)水壓的增大，上升、下降趨勢顯著，說明在加載的前期，管片襯砌結(jié)構(gòu)的接縫張開量處于零增長階段，隨著加載的進行，管片襯砌結(jié)構(gòu)處于變形階段。不同接縫位置接頭張開量變化量的試驗值與模擬值差距較小，其中，上部接縫的差距較大，當(dāng)內(nèi)水壓為0.17 MPa時，其差距最大，其值為0.24 mm，說明采用有限元模擬對管片襯砌結(jié)構(gòu)進行分析的準(zhǔn)確性較高。

為分析引水隧洞管片襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性，分析其管片、內(nèi)襯及鋼套筒所受水壓力情況，內(nèi)水壓-管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例曲線如圖3所示。

圖3 內(nèi)水壓-管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例曲線

由圖3可知，不同截面的管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例變化趨勢具有一致性，其內(nèi)水壓與管片承擔(dān)的水壓力比例呈正相關(guān)關(guān)系，隨著內(nèi)水壓的增大，管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例逐漸增大；當(dāng)內(nèi)水壓為0.1～0.6 MPa時，管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例緩慢增長，當(dāng)內(nèi)水壓為0.6～0.7 MPa時，管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例增長趨勢顯著，不同截面的管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例增長量在10 %左右，當(dāng)內(nèi)水壓>0.7 MPa時，管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例增長趨勢逐漸趨于平緩。

同一內(nèi)水壓下，不同截面的管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例具有一定的差異性，其中，標(biāo)準(zhǔn)塊B2主截面的不同截面的管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例最大，其最大管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例為51.6 %；封頂塊F主截面的管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例最小，其最大管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例為44.7 %。綜合以上分析可得，當(dāng)內(nèi)水壓較小時，管片分擔(dān)內(nèi)水壓較小，隨著內(nèi)水壓的增大，襯砌管片結(jié)構(gòu)分擔(dān)更多的內(nèi)水壓，且即使內(nèi)水壓持續(xù)增大，內(nèi)水壓的分擔(dān)比例仍保持穩(wěn)定。

內(nèi)水壓-自密實混凝土內(nèi)襯分擔(dān)內(nèi)水壓比例曲線如圖4所示。由圖4可知，混凝土內(nèi)襯分擔(dān)內(nèi)水壓比例與內(nèi)水壓間呈負相關(guān)關(guān)系，隨著內(nèi)水壓的增大，混凝土內(nèi)襯分擔(dān)內(nèi)水壓比例逐漸減小，當(dāng)內(nèi)水壓為0.6～0.7 MPa時，混凝土內(nèi)襯分擔(dān)內(nèi)水壓比例下降趨勢顯著，最大差值為16 %，混凝土內(nèi)襯分擔(dān)內(nèi)水壓比例變化趨勢較為平緩，隨內(nèi)水壓的增大，下降趨勢較為平緩，說明當(dāng)內(nèi)水壓較小時，混凝土內(nèi)襯對內(nèi)水壓的分擔(dān)比例較大，結(jié)合圖2可得，隨著內(nèi)水壓的增大，混凝土內(nèi)襯對內(nèi)水壓的分擔(dān)逐漸轉(zhuǎn)移至管片。在同一內(nèi)水壓下，不同截面位置的混凝土內(nèi)襯分擔(dān)內(nèi)水壓比例具有一定的差異性，其中，封頂塊F主截面的混凝土內(nèi)襯分擔(dān)內(nèi)水壓比例最大；當(dāng)內(nèi)水壓<0.6 MPa時，標(biāo)準(zhǔn)塊B3主截面的混凝土內(nèi)襯分擔(dān)內(nèi)水壓比例最小，當(dāng)內(nèi)水壓>0.6 MPa時，標(biāo)準(zhǔn)塊B2主截面的混凝土內(nèi)襯分擔(dān)內(nèi)水壓比例最??；說明混凝土內(nèi)襯的內(nèi)水壓主要由封頂塊F承擔(dān)。

圖4 內(nèi)水壓-自密實混凝土內(nèi)襯分擔(dān)內(nèi)水壓比例曲線

內(nèi)水壓-鋼套筒分擔(dān)內(nèi)水壓比例曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著內(nèi)水壓的增大，鋼套筒分擔(dān)內(nèi)水壓比例呈先下降、后上升的趨勢，當(dāng)內(nèi)水壓>0.6 MPa時，內(nèi)水壓與鋼套筒分擔(dān)內(nèi)水壓比例呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)內(nèi)水壓>0.7 MPa時，鋼套筒分擔(dān)內(nèi)水壓比例增長趨勢較為平緩；說明當(dāng)內(nèi)水壓較小時，鋼套筒分擔(dān)的內(nèi)水壓力較小，隨著內(nèi)水壓的增大，鋼套筒分擔(dān)的內(nèi)水壓力逐漸增大。當(dāng)內(nèi)水壓<0.6 MPa時，封頂塊F主截面分擔(dān)的內(nèi)水壓比例最大，標(biāo)準(zhǔn)塊B2主截面分擔(dān)的內(nèi)水壓比例最??；當(dāng)內(nèi)水壓>0.6 MPa時，鄰接塊L1主截面分擔(dān)的內(nèi)水壓比例最大，標(biāo)準(zhǔn)塊B3主截面分擔(dān)的內(nèi)水壓比例最??；說明隨著內(nèi)水壓的增大，鋼套筒分擔(dān)內(nèi)水壓逐漸由封頂塊F主截面轉(zhuǎn)移到鄰接塊L1主截面。對比圖2、圖3可得，管片襯砌結(jié)構(gòu)受水壓力的變化規(guī)律總體表現(xiàn)為：當(dāng)內(nèi)水壓較小時，襯砌結(jié)構(gòu)處于彈性階段，此時結(jié)構(gòu)的水壓力主要由混凝土內(nèi)襯承擔(dān)，其次為鋼套筒，再次為管片；隨著內(nèi)水壓的增大，混凝土內(nèi)襯所承擔(dān)的水壓力逐漸減小，襯砌結(jié)構(gòu)處于開裂破壞階段，此時內(nèi)水壓逐漸由混凝土內(nèi)襯轉(zhuǎn)移至管片及鋼套筒，且管片承擔(dān)的內(nèi)水壓較大，隨著內(nèi)水壓的持續(xù)增大，混凝土內(nèi)襯承擔(dān)內(nèi)水壓的比例持續(xù)減小，鋼套筒承擔(dān)的內(nèi)水壓比例逐漸增大，管片承擔(dān)的內(nèi)水壓變化趨勢較為平緩，此時鋼套筒與管片對于內(nèi)水壓承擔(dān)的比例較為接近，管片與鋼套筒聯(lián)合受力，混凝土內(nèi)襯承擔(dān)的內(nèi)水壓較小。

圖5 內(nèi)水壓-鋼套筒分擔(dān)內(nèi)水壓比例曲線

當(dāng)引水隧洞管片襯砌結(jié)構(gòu)受到內(nèi)水壓作用時，管片及混凝土內(nèi)襯發(fā)生開裂，為分析襯砌結(jié)構(gòu)開裂變形與其所受內(nèi)水壓間的關(guān)系，作內(nèi)水壓-混凝土開裂區(qū)域百分比曲線，如圖6所示。由圖6可知，內(nèi)水壓與混凝土開裂區(qū)域百分比呈正相關(guān)關(guān)系，隨著內(nèi)水壓的增大，管片與混凝土內(nèi)襯混凝土開裂區(qū)域百分比逐漸增大；當(dāng)內(nèi)水壓<0.5 MPa時，管片與混凝土內(nèi)襯混凝土開裂區(qū)域百分比變化趨勢較為平緩，且管片的開裂區(qū)比例大于混凝土內(nèi)襯的開裂區(qū)比例，隨著內(nèi)水壓的持續(xù)增大，管片與混凝土內(nèi)襯混凝土的開裂區(qū)域百分比增長趨勢顯著，當(dāng)內(nèi)水壓>0.6 MPa時，混凝土內(nèi)襯的開裂區(qū)域比例大于管片的開裂比例，說明當(dāng)內(nèi)水壓較小時，引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的開裂以管片開裂為主，隨著內(nèi)水壓的增大，開裂以混凝土內(nèi)襯為主。

圖6 內(nèi)水壓-混凝土開裂區(qū)域百分比曲線

4 結(jié) 論

(1)不同接縫位置接頭張開量變化量的試驗值與模擬值差距較小，其中，上部接縫的差距較大，當(dāng)內(nèi)水壓為0.17 MPa時，其差距最大，其值為0.24 mm。

(2)內(nèi)水壓與管片承擔(dān)的水壓力比例呈正相關(guān)關(guān)系，不同截面的管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例增長量在10 %左右，當(dāng)內(nèi)水壓>0.7 MPa時，管片分擔(dān)內(nèi)水壓比例增長趨勢逐漸趨于平緩。

(3)不同截面位置的混凝土內(nèi)襯分擔(dān)內(nèi)水壓比例具有一定的差異性，其中，封頂塊F主截面的混凝土內(nèi)襯分擔(dān)內(nèi)水壓比例最大；當(dāng)內(nèi)水壓<0.6 MPa時，標(biāo)準(zhǔn)塊B3主截面的混凝土內(nèi)襯分擔(dān)內(nèi)水壓比例最小，當(dāng)內(nèi)水壓>0.6 MPa時，標(biāo)準(zhǔn)塊B2主截面的混凝土內(nèi)襯分擔(dān)內(nèi)水壓比例最小。