基于ANSYS的某水電站引水隧洞漸變段襯砌分析研究

程 琦

（塔城地區水利水電勘察設計院，新疆 塔城 834700）

0 引言

在隧洞等地下工程建設中，從襯砌單獨承載的設計理論，發展到以研究圍巖和襯砌聯合工作，進而以圍巖為主的設計理論。在計算方法上，從利用結構力學方法、彈性力學方法到運用有限元方法，更加準確地反映了隧洞襯砌的受力情況。有限元法可以模擬不同的施工程序、復雜巖體特性以及復雜荷載條件進行計算，是解決巖體與襯砌等復合襯砌的有效計算方法，一般采用“先加荷、后開洞”進行計算，比較真實地反應了在各種工況下襯砌及圍巖的應力狀態，但對應力已不滿足彈性階段的洞段，應采用彈塑性有限元程序進行隧洞設計[1～3]。

1 工程概況

某水電工程位于雅礱江支流鴨嘴河上。河谷呈“V”型，該段河流基本呈東西向，水能資源優越，河段平均比降11‰。主河道河谷寬度有50～100 m，兩岸植被覆蓋較好，基巖大多裸露，壩基巖體強度及完整性較差。引水隧洞進口位于左岸，分布Ⅰ級堆積階地，階面高程3123～3125 m，高于河床10～12 m，寬度30 m 左右，沿河長度40 m 左右，沖積卵礫石及砂質壤土厚7 m左右。洞線右側1#滑坡對隧洞影響較小，Ⅰ類圍巖占18%，Ⅱ類圍巖占48%，Ⅲ類圍巖占33.2%，Ⅳ類圍巖占0.8%。洞身圍巖主要為弱風化千枚巖，部分強風化千枚巖。據調查，大部分洞段呈濕潤狀，僅局部洞段有滴水，強及弱風化分別屬于Ⅵ及Ⅲ類圍巖。地下洞室圍巖以Ⅲ類圍巖為主，成洞條件較好。

1.1 計算參數的選取

根據地質資料和參考資料確定隧洞漸變段圍巖力學參數（見表1），混凝土力學參數（見表2）。

表1 圍巖力學參數表

表2 混凝土力學參數表

1.2 計算方案及荷載組合

本文采用混凝土襯砌，將隧洞及襯砌看作整體承載結構，并且考慮混凝土及圍巖非線性性質條件下，用有限元方法計算隧洞漸變段不同工況下的應力和變形大小。并采用邊值法和公式法進行計算，與有限元計算結果進行對比分析，得出一些對隧洞設計有意義的結論。各個計算的荷載組合見表3。

表3 工況計算表

1.3 隧洞漸變段襯砌非線性有限元模型的建立

計算采用ANSYS 軟件進行建模，模型采用Solid45 單元模擬，共劃分56 145 個單元，29 687 個節點。圍巖材料按彈性模型計算，襯砌材料按彈塑性模型進行計算，并采用D-P 材料和Drucker-Prager屈服準則，視襯砌為彈塑性本構模型。隧洞漸變段三維有限元計算模型見圖1，漸變段襯砌結構三維有限元計算模型見圖2。

圖1 隧洞漸變段三維有限元模型

圖2 漸變段襯砌結構計算模型

本文主要計算并分析隧洞漸變段襯砌施工期和運行期的應力和變形。首先把重力作為單獨的一個荷載步進行圍巖初始應力場的模擬，而后面的每一步分析得到的位移場都應該扣除第一步由重力引起的不存在的位移場。利用ANSYS 的荷載步和生死單元功能再進行毛洞開挖工況模擬、毛洞支護工況模擬。最后對隧洞漸變段運行期的襯砌結構進行充水運行工況模擬和放空檢修工況模擬，計算并分析它不同3 個典型斷面的應力和變形規律，即進口矩形（I 斷面）、中間圓矩形（II 斷面）、末端圓形（III斷面）3個斷面。

2 計算結果分析

2.1 初始應力場的計算及分析

圍巖的初始應力場是在長期而復雜的過程中不斷形成的，包括自重應力場和構造應力場，以自重應力場為主。隧洞開挖以前圍巖未被擾動，處于初始應力的平衡狀態中，不同部位的巖體存在不同的初始應力場。在開挖過程破壞了圍巖的初始應力場，產生應力重分布。由于隧洞的幾何對稱性和施加約束的對稱性，圍巖第一、第三主應力及X、Y、Z向的應力呈對稱分布。第一和第三主應力最大值出現在所選圍巖底部，其值分別為-0.225 MPa 和-0.473 MPa（見表4）。

表4 初始應力場計算結果

2.2 開挖過程有限元的計算及分析

開挖過程有限元分析是以重力場作用下的應力場為前提進行應力分析，而開挖后分析得到的每一個位移場都應該扣除由重力引起的根本不存在的位移場。利用ANSYS的荷載步及生死單元功能，將開挖部分單元殺死，進行開挖過程的模擬。施工期開挖后不進行支護，圍巖依靠自身巖性進行自穩，圍巖穩定后再進行支護，計算結果（見表5）。

表5 開挖過程中的應力和位移極限

施工期的開挖過程中圍巖初始應力得以釋放。在重力場的作用下圍巖向洞室方向發生移動，產生不均勻變形，改變圍巖的初始應力場，應力重分布，開挖后圍巖依靠自身的巖性進行自穩。圍巖最大橫向位移出現在洞兩側，其值為0.063 mm；圍巖最大縱向位移發生在洞頂中心位置，其值為0.548 mm；從主應力可以看出，隧洞漸變段的開挖，洞周圍大部分區域受壓，均在強度范圍內，最大拉應力和最大壓應力值分別為0.054、-1.002 MPa，滿足混凝土抗拉強度要求。斷面I～III 的最大位移和和最大應力的區域都逐漸減小。

2.3 支護過程有限元的計算及分析

本文對于隧洞施工過程的模擬分3 個過程，即初始應力狀態（荷載步1）→毛洞開挖（荷載步2）→毛洞支護（荷載步3），運用非線性的辛普生—牛頓準則計算隧洞漸變段襯砌噴射混凝土支護時洞周圍巖的應力和位移變形，并對襯砌進行三維效果模擬，取3個典型斷面進行分析，計算結果見表6。

表6 支護過程的應力和位移極限

從表6可以看出，X、Y方向位移均呈對稱分布，圍巖最大橫向位移出現在洞兩側，其值為0.049 mm；圍巖最大縱向位移發生在洞頂中心位置，其值為0.521 mm；隧洞漸變段的開挖，洞周圍大部分區域受壓，均在強度范圍內，最大拉應力出現在上下四個洞腳處，其值為0.268 MPa，滿足混凝土抗拉強度要求。斷面I～III的位移和應力值都逐漸減小，最大值的范圍也減小。

2.4 充水運行工況有限元的計算及分析

選取水工隧洞在運行期間有壓狀態，內、外水壓力按最大內水水頭（70 m）和最大外水水頭（15 m）考慮，計算襯砌結構的應力和位移變形的大小，計算結果見表7。

表7 運行工況襯砌結構的應力和位移值

在內水壓力和外水壓力共同作用下，圍巖和襯砌結構的應力均有所增加，襯砌結構的最大橫向位移發生在襯砌兩側，其值為0.588 mm，頂部和底部位移最??；最大縱向位移發生在襯砌底部，其值為0.662 mm，發生在襯砌底部。斷面I受力條件較差，出現應力集中，最大拉應力發生在襯砌進口附近洞角內側其值為7.938 MPa，不滿足混凝土抗拉強度要求，應采取一定措施改善襯砌受力條件。斷面I～III的位移和應力值都逐漸減小，最大值的區域也有所減小。

2.5 檢修工況有限元的計算及分析

選取水工隧洞在運行期間無壓狀態，外水壓力按最大外水水頭（15 m）考慮，計算襯砌結構的應力和位移變形的大小，計算結果見表8。

表8 檢修工況下襯砌結構的應力和位移

在外水壓力作用下，最大橫向位移發生在襯砌兩側，其值為0.054 mm，頂部和底部位移最小；最大縱向位移發生在襯砌頂部，其值為0.51 mm，從洞頂至洞底逐漸減小。最大拉應力出現在洞腳外側，最大壓應力出現在襯砌洞角內側，其值分別為0.265、-2.398 MPa，滿足混凝土抗拉強度要求。斷面I～III的位移和應力值都逐漸減小，最大值的區域也減小。

3 結論

本文結合某水電工程引水隧洞漸變段，采用有限元方法考慮圍巖及襯砌混凝土材料的特殊性質以及各種荷載組合條件對隧洞漸變段進行整體模擬計算，結果表明：襯砌最大壓應力遠小于混凝土材料的抗壓強度，拉應力已經超過抗拉強度設計值，但只限于角點小部分區域。在不影響施工的情況下，在角點位置進行修圓處理，還可以采用不同襯砌厚度改善襯砌受力情況。