基于ABAQUS對引水隧洞結(jié)構(gòu)的有限元分析

倫冠海 王 飛 李 輝 朱順強

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 合肥 230001 2.安徽省水利水電勘測設(shè)計院 合肥 230001 3.河南省前坪水庫建設(shè)管理局 鄭州 450003）

在水庫工程中，水工隧洞發(fā)揮著重要的引水和泄水作用。目前工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要為支護襯砌方式，而掌握隧洞圍巖及其襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形分布規(guī)律，對隧洞的開挖支護設(shè)計具有重要作用。有限元分析法是近年來發(fā)展最快的分析計算方法，能夠較為準確地反應(yīng)圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)受力和變形特征。利用ABAQUS 軟件進行三維有限元分析工程隧洞圍巖的穩(wěn)定性及襯砌結(jié)構(gòu)的工作性態(tài)，為隧洞的開挖支護方案及襯砌結(jié)構(gòu)的配筋提供依據(jù)。

1 工程概況

某大（2）型水庫引水隧洞擔負著農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)及城市供水、生態(tài)基流、發(fā)電引水等四項任務(wù)，引水隧洞工程等級為2 級，引水設(shè)計流量為34.5m3/s，長256m。洞身圍巖為Ⅲ～Ⅳ類，襯砌結(jié)構(gòu)采用C25 鋼筋混凝土，為有壓圓形洞，內(nèi)徑為4m，襯砌厚度50cm，縱向坡比1/20。

取洞身斷面為典型作為分析研究對象，圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)間的相互作用認為圍巖荷載作用于襯砌結(jié)構(gòu)的表面，同時圍巖與襯砌之間存在彈性抗力，以此分析計算襯砌結(jié)構(gòu)的受力和變形分部規(guī)律。

2 有限元計算模型

采用ABAQUS 軟件對引水隧洞典型斷面進行計算分析，有限元計算前處理采用專業(yè)網(wǎng)格剖分HYPERMESH軟件進行網(wǎng)格劃分。由于隧洞為圓形結(jié)構(gòu)且受力近似對稱，因此取一半進行網(wǎng)格劃分。典型斷面選3 個典型點，編號取為A、B、C，見圖1。

圖1 典型斷面和典型點位示意圖

圖2 引水隧洞段整體模型圖

計算范圍：隧洞兩側(cè)及下部取5 倍洞徑以上，隧洞以上取至山頂，見圖2。

本構(gòu)模型用于分析結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。此次計算分析，圍巖采用Drucker-Prager 彈塑性本構(gòu)模型，襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性模型分析，主要材料參數(shù)見表1。

計算時，以隧洞線所在的鉛直面為對稱面取隧洞的一半開展計算分析。約束條件為：對稱面、模型底部及兩端施加法向連桿約束。

3 計算荷載及工況

隧洞施工過程中，襯砌的澆筑時機對受力情況有很大影響，襯砌過早，則襯砌澆筑時圍巖應(yīng)力釋放程度較小，后期襯砌將承受較大的力；襯砌過晚，則圍巖應(yīng)力釋放程度大，圍巖容易失穩(wěn)。故要合理選擇襯砌時機。

此次計算假設(shè)襯砌滯后掌子面1 倍洞徑，此時襯砌將和位移共同承擔25%左右圍巖壓力，其余75%的圍巖壓力由圍巖單獨承擔。

該設(shè)計中豎向應(yīng)力計算采用公式：σz=ρgh，式中：ρ 為圍巖密度，取2640kg/m3；h 為計算點的深度。得到垂直方向地應(yīng)力后，根據(jù)σz=kσy=kσx，此處k 值取為1.0，即假定豎向地應(yīng)力與水平向地應(yīng)力相同，以此作為確定隧洞圍巖荷載的依據(jù)。

為方便設(shè)計配筋參考，將有限元計算成果轉(zhuǎn)化為內(nèi)力作用，其中包括軸力、剪力、彎矩等。然后根據(jù)計算出的軸力、彎矩得出等效應(yīng)力，進行配筋計算。

表1 材料物理力學參數(shù)取值表

軸力、剪力和彎矩計算公式見式（1）～式（6）。

式中：Fxi、Fyi、Fzi分別為有限元計算出的i 節(jié)點處沿坐標軸x、y、z 的節(jié)點力；N 為換算出的截面軸力；Q 為截面剪力；M 為截面彎矩；σu、σd分別表示襯砌內(nèi)壁和外壁緣應(yīng)力；τ 為截面剪應(yīng)力。

對地下隧洞根據(jù)規(guī)范要求，承載力極限狀態(tài)需要考慮持久工況、短暫工況和偶然工況。該工程為有壓圓形隧洞，根據(jù)調(diào)度運行情況需要考慮如下工況：

（1）施工期：主要分析計算洞室開挖后應(yīng)力部分釋放情況下，洞室圍巖的應(yīng)力與位移情況，用于分析圍巖在施工期的穩(wěn)定性，所考慮的荷載包括初始地應(yīng)力及隧洞開挖卸荷，其中隧洞開挖卸荷占總圍巖荷載的75%。

（2）完建期：在施工期基礎(chǔ)上，計算分析洞室襯砌完成后情況下的圍巖、襯砌的應(yīng)力與位移情況，重點分析襯砌應(yīng)力情況，為結(jié)構(gòu)配筋提供依據(jù)。所考慮的荷載及作用包括圍巖壓力、噴錨支護、開挖卸荷等，該步驟由襯砌和圍巖共同承擔剩余的25%的圍巖荷載。

（3）運行期：計算分析正常運行期在正常蓄水位和校核洪水位洞室受內(nèi)水壓力下襯砌的受力情況，主要判斷襯砌在內(nèi)水壓力作用下是否發(fā)生開裂，為配筋設(shè)計服務(wù)。所考慮的荷載主要為內(nèi)水壓力，其中動水壓力按靜水壓力的30%估算。

（4）檢修期：分析施工檢修工況下襯砌的抗外壓穩(wěn)定性。所考慮的荷載包括：圍巖壓力、灌漿壓力和外水壓力，其中圍巖壓力取0.25（即折減系數(shù)為0.25，ρ=2640kg/m3，g=0.0098，h 為埋深）；灌漿壓力根據(jù)規(guī)范初步取0.5MPa，折減系數(shù)取0.3；外水壓力取0.5ρ'gh（ρ'=1000kg/m3，折減系數(shù)取0.5）。

4 計算成果及分析

通過三維有限元分析，得出引水隧洞在整個施工期、完建期、運行期和檢修期過程中的位移與應(yīng)力狀況。可以看出：

（1）對于模型中所選取的典型斷面上的典型點位，在施工期、完建期和正常蓄水期不同工況中的圍巖最大位移為0.615mm，位移較小。

（2）圍巖應(yīng)力在各工況下第一主應(yīng)力接近于0，表明巖體總體處于三向受壓狀態(tài)；圍巖第三主應(yīng)力為-3.3MPa，總體仍處于彈性狀態(tài)。

（3）襯砌應(yīng)力在各工況下第一主應(yīng)力最大值發(fā)生在蓄水期承受內(nèi)水壓力工況，最大值0.408MPa，低于混凝土極限抗拉強度，表明內(nèi)水壓力不會引起襯砌產(chǎn)生開裂；第三主應(yīng)力-3.91MPa，低于混凝土允許抗壓強度，不會發(fā)生破壞。

5 結(jié)語

本文利用ABAQUS 軟件建立圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，分析計算得出隧洞在施工期、完建期、運行期及檢修期等工況下圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形，總結(jié)出圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)在不同工況下的內(nèi)力和變形分布規(guī)律，并據(jù)此判斷隧洞圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并提出合理的處理措施。通過計算分析在各荷載工況下，開挖期圍巖總體是穩(wěn)定的，但斷層破碎帶處圍巖變形相對較大，施工時應(yīng)加強觀測并注意及時支護。各工況下，襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力總體低于混凝土承載能力，結(jié)構(gòu)是安全的■