輸水隧洞泡沫混凝土減震層厚度優(yōu)化計算研究

張迪

（朝陽縣水務局，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，我國大力推進跨流域調水工程建設，以有效緩解水資源空間分布不均的問題。在長距離調水工程中，長大輸水隧洞建設幾乎不可避免。在長大輸水隧洞建設過程中，復雜的地質環(huán)境條件給施工和運行維護帶來技術層面的更高要求。

地震是地殼能量迅速釋放的過程，其產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)人類工程建設活動中必須要考慮的重要因素。長期以來，人類的建設活動主要集中于地表，因此，抗震技術的研究也主要針對地表建筑開展，針對地下工程抗震技術的研究不多[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，不僅會造成嚴重的災害性影響，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。在水工隧洞抗震設計中，設置減震層是當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構和圍巖，減小或改變地震波對襯砌結構的作用強度和方式，以達到減小結構動力響應的目的[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，以便為相關理論研究和工程應用提供支持和借鑒。

1 有限元計算模型

1.1 計算模型的構建

此次研究借助ANSYS 大型通用有限元軟件進行輸水隧洞有限元模型的構建，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特征進行分析[5]。以遼寧省某重點跨流域調水工程輸水隧洞為例進行幾何模型的構建。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，初期支護為錨噴結構，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，巖土體和襯砌結構均采用PLANE42 單元進行模擬，隧洞運行中的內水采用FLUID29 單元模擬，水體和襯砌的接觸面設置為流固耦合界面。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，針對動力響應研究，彈簧-阻尼器邊界可以有效模擬彈性恢復能力，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，結合相關研究成果和工程經(jīng)驗，模型材料物理力學參數(shù)見表1。

表1 模型材料物理力學參數(shù)

1.3 地震波輸入

在動力響應分析過程中，地震波的輸入種類和方式會對計算結果產生顯著影響。因此，為了保證計算結果的科學性和準確性，必須要科學選擇地震波。結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，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行計算，通過對計算結果的對比分析，獲得最佳減震層厚度方案。

2 計算結果與分析

2.1 結構位移

利用構建的有限元模型，對不同減震層厚度條件下的隧洞結構位移進行模擬計算，從計算結果中提取出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果

2.2 加速度

利用構建的有限元模型對不同減震層厚度方案條件下的襯砌結構加速度進行模擬計算，在計算結果中提取8 個關鍵部位的加速度峰值，結果如表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 加速度峰值計算結果

2.3 主應力

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

表4 最大主應力最大值計算結果

3 結語

設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。計算結果顯示，當減震層厚度為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行對比研究，以進一步提高研究成果的實用價值。