引水工程圍巖TM耦合下應力位移場影響分析研究

范俊強

(運城市水利勘察院有限公司，山西 運城 044000)

水利工程中常遇到工程地質環境較復雜工況，對工程建設施工具有負面影響，例如高地應力[1]、高埋深[2]、高海拔[3]、高地溫[4]等復雜地質環境。為此，針對性解決復雜環境工況中水利工程安全穩定性加固設計、規律分析等具有重要指導意義。姚可夫等[5]、陶磊等[6]、王俊[7]根據工程建設中應力、變形等參數變化，設計布設有微震、聲發射等監測設備，根據微觀數據監測過程變化規律，為工程預判失穩及針對性加固設計等提供重要參照。另一方面，復雜地質環境中最終發生失穩破壞的仍然與工程巖土體有關，因而一些學者根據工程現場采樣、制樣，開展室內力學試驗研究，分析巖土體在滲透試驗、力學破壞試驗中特征，為研討巖土力學穩定性提供佐證[8-9]。數值計算是一種直接性、高效性研究手段，根據工程受擾動部位巖土體狀態，建立相應計算模型，施加邊界荷載，計算獲得擾動巖土體在時空中變化與分布特征，極大豐富了復雜耦合工況中工程穩定性研究成果[9-10]。本文根據晉北水庫引水隧洞穿越高地溫環境下，圍巖擾動與布設襯砌過程中仿真模型，獲得應力、位移變化特征，探討TM耦合效應下熱作用、擾動作用對圍巖穩定性影響。

1 工程概況

1.1 工程資料

晉北黃河支流考慮建設水庫樞紐工程，但由于地表引水渠道設施流量較低、坡度較緩等現象，考慮建設一深埋引水隧洞，但根據勘察得知水庫引水隧洞所在地區屬高地溫，最大溫度超過100 ℃，設計隧洞斷面直徑為2.8 m，隧洞渠首流量控制為15 m3/s。該水庫設計庫容量為1.5億m3，承擔著防洪、灌溉、蓄水等作用，所涉及的樞紐工程包括有溢洪道、防洪大壩、引水隧洞等結構，其中溢洪道圍堰頂部高程為85.8 m，壩體軸線長度為658.0 m，頂寬為3.8 m，壩體設置有高度為1.5 m的防浪墻，整體壩身滲透活躍性較穩定，歸功于溢洪道邊墻整體穩定性以及壩體自身防滲系統安全性。隧洞乃是水庫水資源調度的重要一環，為提升水庫水資源調控水平，在隧洞與水庫間設置有一中型水閘，閘室高程為75.8 m，采用弧形鋼閘門，直徑為3.2 m，建設有橫、縱連系梁作為閘墩加固結構，其中橫梁截面為半圓弧型，高度為1.2 m，縱梁尺寸為3.5 m×3.0 m，閘室基礎采用灌注樁設計，從閘墩、閘室靜力穩定性角度考慮，安全性均較佳。引水隧洞作為穿越高地溫條件水利工程，全長252 m，埋深超過100 m，圍巖體主要為大理巖，其圍巖穩定性乃是工程開挖施工重要因素，因而設計部門研究采用支護襯砌方式對圍巖進行加固，降低工程施工行為以及后期隧洞運營階段對圍巖應力穩定場的影響。目前，由于引水隧洞溫度場熱效應與圍巖應力擾動效應耦合下，圍巖、襯砌結構等均出現不穩定應力，局部區域甚至出現張拉應力，此對引水隧洞工程長期穩定運營具有嚴重影響，故而本文依據隧洞穿越高地溫條件下的圍巖熱固(TM)耦合場特征，分析圍壓力學穩定性影響特征，為工程設計提供指導。

1.2 工程仿真

為分析方便，本文對隧洞K1+125～K1+175斷面圍巖開展仿真分析，模擬隧洞開挖時間為120 d，圍壓所在斷面長度為50 m，埋深為150 m，圍巖應力影響范圍分布為30 m×30 m，矩形截面，此亦為模擬計算圍巖應力影響分布范圍。襯砌層厚度為0.5 m，圍巖截面溫度設定為100 ℃，襯砌溫度為20 ℃，采用ABAQUS對幾何模型進行網格劃分，設置單元網格有溫度場、靜力場等，共獲得網格單元數12 580個，節點數86 872個[11-12]，其有限元模型如圖1所示。

圖1 隧洞圍巖有限元模型

由于不同溫度下圍巖熱效應有所差異，所選定的溫度效應參數也會有所影響，因而本文研究TM耦合下圍巖力學特征主要通過變換溫度場參數來模擬計算，按照引水隧洞所處高地溫環境，本文溫度場設定溫度分別為25 ℃、40 ℃、55 ℃、70 ℃、85 ℃、100 ℃，每個溫度場下溫度系數、圍巖物理力學參數均有所差異，按照巖石熱效應下實測參數取值。

2 圍巖TM耦合下應力位移場時間特征

2.1 應力變化特征

根據工程環境耦合狀態計算隧洞圍巖應力場隨時間變化特征，本文選取圍巖拱頂部位距離0 m(A點)、10 m(B點)、20 m(C點)、30 m(D點)、40 m(E點)、50 m(F點)的特征點應力隨時間分布特征，如圖2所示。從圖中可看出，拱頂各特征點均為張拉應力，最大拉應力為F點，達3.4 MPa；當時間遞進時，應力呈“降低-波動-穩定”三階段特征，當與拱頂距離愈遠時，各階段應力持續或影響時間更久，B點應力降低階段持續16 d，而D、F點同一階段結束時間分別在47 d、68 d。分析各階段應力變化特征可知，在應力降低階段，距離愈遠，降幅愈小，A點該階段應力降幅為8.2%，而C、E、F點降幅分別為5.9%、5.3%、4.7%，表明圍巖應力隨時間變化特征受斷面距離影響，距離愈大，則圍巖受擾動影響愈小；筆者分析認為應力階段降低主要是初始開挖產生的較大拉應力集中在圍巖上，但隨施工進行，其拉應力分布面會逐步擴散，表現在拉應力值降低態勢[13-14]。當進入應力波動階段后，此時圍巖已開始設置襯砌，拉應力傳遞至襯砌結構上，降低了圍巖拉應力集中效應，此過程在各距離特征點中均有體現，且各特征點在該階段波動幅度基本相近，A、C、E點波動幅度分別為19.5%、20.1%、20.1%。當襯砌結構穩定后，此時施工擾動圍巖引起的張拉應力由圍巖與襯砌結構共同承擔，拉應力處于逐步穩定狀態，且隨距離愈遠，拉應力穩定值愈大，此與襯砌效應對遠距離特征點影響較弱有關，A特征點應力穩定在1.57 MPa，而B、D、F特征點應力較前者分別增大了4.6%、10.9%、28.1%，當與拱頂距離增大10 m，各特征點受襯砌效應產生的應力穩定值平均增大5.2%。

圖2 特征點應力隨時間分布特征

2.2 位移變化特征

圖3為圍巖拱頂距離上各特征點位移隨時間變化關系。從圖中可知，各特征點位移隨時間為“緩增-陡增-穩定”三階段變化特征，當距離愈大時，各階段持續時間更長，受圍巖擾動及襯砌效應更弱。在位移緩增階段，A～F點持續時間為3～66 d，以距離愈遠特征點位移值更大，A點緩增階段達0.73 mm，而C、E、F點位移值較前者分別增大了6.5%、7.8%、15.2%，該階段主要受初期施工擾動影響，位移值處于緩慢上升過程；當施加襯砌后，在短期內襯砌結構位移變化與圍巖位移傳遞，造成圍巖各特征點位移陡增，特征點B、D、F陡增幅度分別可達1.92倍、1.67倍、1.80倍。在此之后，襯砌結構穩定后，產生較好襯砌效應，此時位移值處于較穩定狀態，且以距離較遠的特征點位移穩定值更大，F點位移穩定值為2.7 mm，而A、C、E點較之前者分別減少了17.2%、8.0%、3.5%，距離較遠的特征點進入位移穩定階段的時間更為滯后，此與襯砌結構在圍巖斷面距離上傳遞效果乃是減弱的過程。

圖3 特征點位移隨時間分布特征

3 圍巖TM耦合下應力位移場溫度效應

為分析穿越高地溫環境下圍巖靜力場溫度效應，設計開展不同溫度環境下的圍巖靜力場分析，評價溫度熱作用對圍巖應力、位移影響特征。

3.1 應力變化特征

根據工況耦合計算獲得圍巖不同溫度下應力變化特征，如圖4所示。從圖中可看出，圍巖主應力與溫度為負相關關系，在相同時間15 d時溫度25 ℃下最大主應力為3.24 MPa，而溫度55 ℃、85 ℃、100 ℃主應力相比前者分別減少了5.3%、9.6%、15.5%，即溫度愈高，圍巖主應力愈低。分析認為，圍巖開挖擾動形成的應力重分布在溫度較高環境下，更快達到平衡狀態，無顯著張拉應力集中效應，主應力穩定性更佳[15-16]。分析各溫度環境下應力隨時間變化可知，主應力均呈先減后增，最終穩定變化，且各溫度工況下應力最低點均對應時間5 d，表明溫度改變，襯砌結構對主應力影響并不減弱；各溫度工況在穩定階段均處于穩定狀態，當襯砌結構與圍巖達到支護效果后，主應力較穩定，溫度僅影響穩定階段主應力水平，但不影響主應力變化態勢，該階段中熱作用每增大15 ℃，主應力平均降幅為4.2%。各溫度工況進入應力穩定階段節點基本一致，在20 d，從主應力最低點升高至穩定階段，溫度愈高，則增幅愈小；表明溫度熱效應對應力變化態勢過程中幅度差異影響較小。

圖4 圍巖不同溫度下應力變化特征

3.2 位移變化特征

圖5為不同溫度環境下圍巖位移隨時間變化特征。從圖中可看出，各工況下圍巖位移呈“遞增-穩定”兩階段特征，當溫度愈高，則位移愈大，在20 d時，溫度25 ℃下位移為0.35 mm，而溫度為55 ℃、100 ℃時位移較之前者分別增長了14.5%、57.0%，表明圍巖施工期位移與溫度為正相關關系。當襯砌結構初步由初期非穩定狀態逐步產生加固效果后，圍巖斷面上位移逐步穩定，各溫度工況下進入位移穩定階段時間節點基本一致，為第45天，在該階段后位移波動幅度較小，各溫度工況最大波動幅度不超過1%。在位移穩定階段中溫度25 ℃位移為0.37 mm，而溫度為55 ℃、85 ℃、100 ℃時位移較之前者分別有19.5%、43.9%、61.2%漲幅，從整體變化可知，溫度增大15 ℃，穩定階段中位移水平可提高10.6%。綜上分析可知，溫度改變，圍巖受擾動位移變化基本無顯著差異，不論是階段節點抑或是變化態勢，但溫度影響了位移水平，且為正向促進效應。

圖5 圍巖不同溫度下位移變化特征

4 結 論

本文主要得到以下幾點結論：

(1)各特征點應力呈“應力降低-應力波動-應力穩定”三階段變化；應力降低階段，距離愈遠，降幅愈小；應力穩定階段，距離愈遠，穩定拉應力愈大，拱頂特征點距離增大10m，穩定拉應力平均增幅5.2%；

(2)各特征點位移隨時間為“緩增-陡增-穩定”三階段變化，距離愈大，則圍巖擾動及襯砌效應愈弱、進入位移穩定階段更為滯后。

(3)圍巖主應力水平與溫度為負相關，但溫度變化不影響襯砌效果，也不影響主應力變化態勢，僅影響主應力量值水平，溫度每增大15 ℃，穩定階段主應力平均降幅為4.2%。

(4)溫度愈高，圍巖位移愈大，但圍巖位移進入穩定階段時間節點均為第45天，溫度增大僅改變了位移量值，增大15 ℃，穩定階段中位移水平可提高10.6%。