水電站引水隧洞支護結構穩定性分析

余 勇

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著社會經濟的發展，迎來了水利工程和交通運輸等基礎工程建設的高峰期，引水隧洞的穩定性在很大程度上影響經營效益和工程建設的投資，對工程修建的可行性決策起到控制作用[1- 2]。因此，水電站引水隧洞支護結構穩定性研究逐漸成為工程科技界關注的熱點。國內外學者對于支護結構穩定性進行了大量研究，丁佳峰等人[3]研究了隔熱材料對支護結構穩定性的影響，提出了初期支護+隔熱層+二次襯砌的支護方式，但未進行具體研究。王排排[4]利用物理模型試驗研究了隧洞支護結構的受力特性，考慮了地熱災害和埋深對隧洞的影響。林建東等人[5]對隧道隔熱技術進行了研究，對所需的制冷功率和不同材料的隔熱效果進行了試算。本文以哈德布特水電站引水隧洞工程為研究對象，對工程建設期和運行期支護結構穩定性進行了系統研究，分別計算不同監測點的安全系數、結構位移和等效應力，對水電站引水隧洞工程建設提供理論指導，有著重要的現實意義。

1 工程概況及模型建立

1.1 工程概況

哈德布特水電站位于額爾齊斯河上游干流河段，是一座長隧洞高水頭引水式電站，引水樞紐總庫容170萬m3，最大壩高44.7m，引水流量78.6m3/s，額定水頭311.49m，為小(1)型工程。隧洞地質情況復雜，從引水隧洞樁號Y7+010開始出現高溫地熱災害，洞內平均溫度達51℃，而冬季水溫僅為6℃，因此支護結構兩側溫差較大，且該洞段屬于高地應力地區，存在較大的初始地應力。

1.2 熱-固耦合分析模型

由熱力學理論可知，物體傳熱方式分別是熱對流、熱傳導和熱輻射，而支護結構與圍巖之間的傳熱方式為熱傳導，其熱傳導方程為[6- 7]：

(1)

式中，W—物體熱源強度；ρ—物體的密度，kg/m3；c—物體的比熱容，J/(kg·℃)；λ—物體的導熱系數，W/(m·℃)；T=T(x，y，z，t)。

施工過程通過泵送混凝土，忽略水泥水化熱所釋放的熱量，邊界條件和能量平衡方程為[8]：

(2)

[K]{T}={Q}

(3)

式中，λs和λc—不同材料的導熱系數；Tc和Ts—不同材料接觸面的溫度；{Q}—節點熱流率向量；{T}—節點溫度向量；[K]—系數矩陣。

脆性材料的強度準則包括Drucker-Prager強度準則、摩爾-庫侖強度理論、von Mises強度理論、Tresca強度準則和最大拉應力強度準則等[9]。本文采用摩爾-庫侖強度理論對支護結構的穩定性進行分析，結構安全系數和破壞表達式如下：

表1 材料參數

(4)

|τ|=c-σtanφ

(5)

式中，Sc—材料的抗壓應力極限；St—分別為材料的抗拉應力極限；σ1—各個節點上第一主應力；σ3—各個節點上第三主應力。

1.3 計算參數

通過類似工程及本工程的實際情況，確定模型中的力學參數見表1。

2 建設期支護結構穩定性分析

2.1 襯砌厚度對支護結構穩定性的影響

不同襯砌厚度條件下，襯砌地面最大應力和混凝土襯砌失穩比變化曲線，分別如圖1和圖2所示。可以看出，隨著襯砌厚度的增加，襯砌地面最大應力為先增大后趨于平穩，而失穩比先減小后增大，即單純增加襯砌厚度，不能有效提高襯砌的穩定性。當襯砌厚度為0.27m時，等效應力穩定在13.31MPa左右，其失穩比最小，支護結構的穩定性最好。

圖1 襯砌地面最大應力變化

圖2 混凝土襯砌失穩比

2.2 襯砌厚度對地震反應的影響分析

工程區處于地震帶和地層斷裂帶交匯處，襯砌的耦合情況較多、受力情況比較復雜，因此研究不同襯砌厚度對地震的響應有重要的現實意義。為便于分析，隧洞襯砌結構的關鍵部位設置了8個監測點，如圖3、圖4所示。可以看出，隨著襯砌厚度的增加，支護結構的地震響應位移不斷增大，襯砌厚度每增加0.05m，支護結構的響應位移漲幅約為11.10%。襯砌厚度為0.52m時，在地震作用下支護結構發生了明顯的位移響應，平均位移為14.84mm。表明支護結構的地震位移響應與襯砌厚度基本成正比例關系，但襯砌厚度較大時，支護結構有可能與地震發生較大響應。

圖3 監測點布設示意圖

圖4 不同襯砌厚度支護結構的地震位移響應

3 運行期支護結構穩定性分析

在無隔熱層和有隔熱層條件下，選取各監測點的安全系數、位移以及最大主應力，作為評價襯砌穩定性的指標，對襯砌結構的穩定性進行研究。支護結構及隧洞的斷面圖，如圖5所示。

3.1 結構應力對比分析

各監測點一期混凝土的最大主應力分布如圖6所示。可以看出，無隔熱層和有隔熱層兩種條件下，一期混凝土的應力分布趨勢基本一致。不設隔熱層時，支護結構的最小應力均出現在底腳，即3號和5號測點，應力值分別為4.79MPa和4.98MPa；支護結構的最大應力均出現在拱腰，即2號和6號測點，應力值分別為25.21MPa和25.60MPa。設置隔熱層后各測點應力平均減小約44.99%，其中最小應力分別減小為2.08MPa和1.69MPa，最大應力分別減小為15.14MPa和14.56MPa。

圖6 一期混凝土最大主應力

各監測點二期混凝土的最大主應力分布如圖7所示。可以看出，無隔熱層和有隔熱層兩種條件下，二期混凝土的應力分布趨勢基本相同，最小應力出現在拱頂，應力值約為8.08MPa，最大應力出現在拱腰，約為22.50MPa。

圖7 二期混凝土最大主應力

上述結果表明，隔熱層的設置能有效改善一期混凝土的受力情況，但對二期混凝土的受力分布影響甚微。無隔熱層時一期混凝土存在較大的溫度梯度，溫度應力較大，設置隔熱層后，明顯減小了混凝土襯砌結構的溫度應力，阻斷高溫對襯砌的影響。因此，隔熱層能夠顯著改善一期混凝土的受力情況。二期混凝土溫度應力較小，所受的荷載主要為內水壓力，因此二期混凝土的受力情況基本不受隔熱層的影響。

3.2 結構位移對比分析

各監測點一期混凝土和二期混凝土的位移分布，分別如圖8、圖9所示。可以看出，在有、無隔熱層兩種情況下，一期混凝土和二期混凝土位移趨勢基本相同。隔熱層增大了襯砌結構的位移，其中一期混凝土位移平均增大約為14.83%，二期混凝土位移平均增大約為14.84%。主要由于隔熱層雖然能減小混凝土的溫度應力并改善受力特性，但隔熱層材料線膨脹系數較大、彈性模量較小，受熱會產生較大膨脹，在一定程度上增大了襯砌結構的位移。兩底角(3號與5號測點)的襯砌結構位移最小，最大位移出現在拱頂(8號測點)，襯砌底面向上拱起，襯砌拱腰向圍巖側拱起，拱頂沉降較明顯。

圖8 一期混凝土位移

圖9 二期混凝土位移

3.3 結構安全系數對比分析

選取適用于脆性材料的摩爾-庫侖強度理論，對混凝土襯砌結構的穩定性進行評價，一期、二期混凝土各測點安全系數分別如圖10、圖11所示。可以看出，隔熱層能明顯提高混凝土襯砌結構的安全系數。無隔熱層時，在各測點安全系數均小于1，可判定結構已發生破壞。設置隔熱層后，一期測點安全系數得到明顯的提高，各測點的安全系數均大于1；二期除3號和5號測點安全系數大于1以外，其余各測點仍小于1，表明二期混凝土襯砌仍會發生破壞。主要原因是，不設隔熱層時，混凝土襯砌結構溫度應力較大，嚴重降低了一期、二期混凝土安全系數；設置隔熱層后，能大幅減小一期混凝土的溫度應力，但由于拱效應的存在，襯砌臨空面混凝土拉應力較大，安全系數稍低；而二期混凝土的受力分布受隔熱層影響較小，在較大內水壓力的作用下仍然容易發生破壞。

圖10 一期混凝土安全系數

圖11 二期混凝土安全系數

隧洞貫通后對圍巖進行噴錨支護，并對混凝土進行雙層配筋，配筋率為0.54%。一期、二期混凝土的安全系數，如圖12、圖13所示。可以看出，配筋后對一期混凝土的安全系數影響較小。而二期混凝土安全系數明顯增長，不設隔熱層時，除底腳外其余測點安全系數均小于1；設置隔熱層后，測點的安全系數均值為1.62，且均大于1，能夠滿足工程安全性的要求，因此采用噴錨支護+隔熱層+鋼筋混凝土的支護結構，更符合工程實際。

圖12 配筋后一期混凝土安全系數

圖13 配筋后二期混凝土安全系數

4 結論

本文以哈德布特水電站引水隧洞工程為例，對工程建設期與運行期隧洞襯砌結構的穩定性進行了研究，得出以下結論：襯砌厚度較大時，支護結構有可能與地震發生較大響應，襯砌厚度為0.27m時，支護結構的穩定性最佳；在混凝土襯砌與圍巖之間設置隔熱層能顯著減小溫度應力，改善支護結構的受力情況，但襯砌結構平均環向位移增大約14%，一期混凝土襯砌基本滿足工程需求。采用噴錨支護+隔熱層+鋼筋混凝土的支護結構更符合工程實際。