高巖溫引水隧洞支護結構穩(wěn)定性分析

王屹久

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

我國水資源豐富，但分布不均衡，長距離引水調水工程越來越為生產(chǎn)生活實際所需要。隧洞輸水在輸水工程中應用廣泛，但是由于輸水隧洞具有埋深大、線路長等特點，需要克服高地應力、高滲壓和高地應力等問題。為解決這些問題，諸多學者進行了多方面的研究。

齊凱[1]利用Flac3D有限元模型對研究洞段圍巖開挖支護穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析，并給出了具體的支護建議。盛亮[2]以白石引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段為例對研究洞段圍巖開挖支護穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析，其研究發(fā)現(xiàn)應對埋深50m以上的洞段進行強化支護。卞康等[3]基于彈性損傷理論和等效連續(xù)介質滲流理論，提出一種可以在高壓水工隧洞襯砌開裂后估算隧洞滲水量的方法。周富強[4]研究通過襯砌結構最大主應力、位移和塑性應變現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，獲得了高地溫條件下水工隧洞襯砌結構的應力、位移和塑性應變的變化規(guī)律。余濤[5]研究高壓輸水隧洞帷幕體防滲性能，建立基于滲流場、化學場及帷幕體微觀結構等多物理場耦合的數(shù)值模型，采用FEM數(shù)值法求解并結合工程監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進行驗證。發(fā)現(xiàn)帷幕體在高水頭長期侵蝕與溶解作用下，抗?jié)B性和耐久持續(xù)衰減，帷幕體溶蝕具有時空變異特性。楊斌[6]以遼寧省大風口水庫新建輸水隧洞為例，利用ABQUS軟件進行有限元建模，分析了滲流作用下圍巖變形和受力情況以及襯砌結構受力情況，結果顯示拱腰部位水平應力較大而仰拱和拱頂部位豎向應力較大。李昕[7]和計紅燕[8]以遼寧省觀音閣水庫輸水工程的輸水隧洞襯砌施工為例，利用ANSYS大型通用有限元軟件，對輸水隧洞襯砌混凝土施工和運行期間的溫度應力變化進行了重點分析。

以水庫引水隧洞工程為研究對象，通過有限元軟件建立數(shù)值模型，模擬引水隧洞區(qū)段穿越高溫巖層。分析了水頭大小、初始圍巖溫度、水溫以及支護結構厚度4個敏感參數(shù)對圍巖以及支護結構穩(wěn)定性的影響。

1 工程背景

某水庫引水隧洞工程的建設對該城市生活用水十分重要，引水隧洞工程所穿越的地區(qū)地質條件復雜，尤其是部分引水隧洞區(qū)段穿越高溫巖層。引水隧洞工程所穿越高溫巖層的溫度最高可達100℃，引水隧洞內(nèi)部巖體溫度不低于28℃，洞內(nèi)濕氣大，為缺氧環(huán)境。引水隧洞運營期，引水隧洞內(nèi)部溫度、地應力和內(nèi)水壓力的相互作用對隧洞支護結構及圍巖有顯著影響。隧洞穿越高溫巖層區(qū)段，支護結構及圍巖由于隧道內(nèi)高梯度的溫度場的影響，會產(chǎn)生收縮變形進而引起破壞，而隧洞外側圍巖由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生高應力進而引起開裂[9- 10]。水流沿著圍巖裂縫滲入圍巖內(nèi)部從而引起水力劈裂現(xiàn)象，這對引水隧洞的穩(wěn)定性具有不利影響。

2 溫度-滲流-應力耦合模型

2.1 計算原理

通過求解能量守恒方程、動量守恒方程和質量守恒方程來分析溫度-滲流-應力耦合過程[9- 11]，方程式如下式(1)-(3):

能量守恒方程：

(1)

動量守恒方程:

(2)

(3)

式(1)-(3)中不同變量的含義見表1。式(1)-(3)構成了溫度-滲流-應力耦合模型的控制方程，其中位移矢量、孔隙率、孔隙水壓力以及溫度為基本變量。

表1 式(1)-(3)中不同變量的含義

2.2 數(shù)值模型

依據(jù)現(xiàn)場勘查資料可知，引水隧洞周邊圍巖等級多為Ⅱ級，局部區(qū)段的圍巖等級為Ⅲ級和Ⅳ級，隧洞周邊的圍巖具有較好的完整性，巖石硬度較高，周邊圍巖以花崗巖麻巖為主，由于圍巖具有較好的完整性，噴射等級為C30的混凝土作為圍巖支護結構。利用有限元軟件建立引水隧洞數(shù)值模型，模型寬度和高度均為30m，引水隧洞設計為城門洞型截面，隧洞洞涇為4.8m。用四面體對模型進行網(wǎng)格劃分，對隧洞周邊網(wǎng)格進行局部加密，模型共5681個單元，6235個節(jié)點。模型邊界條件：模型底部為固定約束，模型四周為法向約束，模型頂部為自由邊界。引水隧洞模型圖如圖1所示。

圖1 引水隧洞模型圖

2.3 模擬方案

引水隧洞在正常輸水后，隧洞周邊圍巖受力狀況較為復雜，且對支護結構穩(wěn)定性的影響因素眾多。本文主要研究水頭大小、初始圍巖溫度、水溫以及支護結構厚度4個敏感參數(shù)對圍巖以及支護結構穩(wěn)定性的影響。不同工況方案見表2。

表2 不同工況方案

3 影響因素分析

3.1 支護結構厚度

為研究支護結構厚度對引水隧洞不同位置受力變形的影響，不同厚度下隧洞側墻、拱底以及拱頂處的應力及位移見表3。

從表3中可以看出，支護結構厚度對隧洞側墻和拱底處支護結構的最大主應力影響最為顯著，對拱頂處支護結構的最大主應力影響最小。不同隧洞部位處的最大主應力在不同支護結構厚度下均處于受壓狀態(tài)，并且隨著支護厚度的增加，壓應力也在增加。對于支護結構的變形，隨著支護厚度的增加，不同隧洞部位處的變形逐漸減小，且不同隧洞位置的變形量接近，隧洞側墻處支護結構的變形最大，拱頂處支護結構的變形次之，拱底處支護結構的變形最小。另一方面，增加支護結構的厚度，圍巖內(nèi)部溫度梯度也逐漸變大，從而減小溫度拉應力。綜上所述，當引水隧洞正常輸水后，增加支護結構的厚度可以限制支護結構的變形，提升引水隧洞的穩(wěn)定性和安全性。

表3 不同部位隧洞應力和位移

3.2 初始圍巖溫度

為研究初始圍巖溫度對引水隧洞不同位置受力變形的影響，溫度應力、最大主應力、位移隨初始圍巖溫度的變化曲線如圖2—4所示，并給出了隧洞側墻、拱底以及拱頂?shù)慕Y果。從圖中可以看出，隨著圍巖溫度的提升，不同位置處支護結構的應力及變形均逐漸增大。當初始圍巖溫度達到100℃時，支護結構在隧洞拱底出現(xiàn)拉應力峰值。當溫度從60℃提升至100℃時，不同部位處的變形也顯著變大，最大變形差值為0.25mm。綜上所述，降低引水隧洞內(nèi)部初始圍巖溫度能有效限制支護結構的受力變形；反之，引水隧洞的穩(wěn)定性和安全性越差。

圖2 溫度應力變化曲線

圖3 最大主應力變化曲線

圖4 位移變化曲線

3.3 水溫

為研究水溫對引水隧洞不同位置受力變形的影響，溫度應力、最大主應力、位移隨水溫的變化曲線如圖5—7所示，并給出了隧洞側墻、拱底以及拱頂?shù)慕Y果。從圖中可以看出，引水隧洞內(nèi)部水溫對隧道不同位置應力無顯著影響。當水溫為10℃時，隧洞側墻處發(fā)生應力峰值，其值為0.52MPa。提升引水隧洞內(nèi)部水溫能有效限制隧洞和支護結構變形。這是因為提升水溫減小了隧洞內(nèi)外溫差。

圖5 溫度應力變化曲線

圖6 最大主應力變化曲線

圖7 位移變化曲線

3.4 水頭

為研究水頭大小對引水隧洞不同位置受力變形的影響，溫度應力、最大主應力、位移隨水頭的變化曲線見表4，并給出了隧洞側墻、拱底以及拱頂?shù)慕Y果。從表中可以看出，提升輸水的水頭，引水隧洞支護結構的變形和滲流力逐漸增大。這是因為提升通水水頭，隧洞內(nèi)部承受的內(nèi)水壓力增加，進而增加了隧洞變形，嚴重時引起破壞。

表4 不同通水水頭下拱頂、洞底和側墻應力、位移計算結果

4 結論

通過有限元軟件建立數(shù)值模型，模擬引水隧洞區(qū)段穿越高溫巖層。分析了水頭大小、初始圍巖溫度、水溫以及支護結構厚度敏感參數(shù)對圍巖及支護結構穩(wěn)定性影響。主要得到以下結論：當引水隧洞正常輸水后，增加支護結構的厚度可減少支護結構的變形，提升引水隧洞的穩(wěn)定性；降低引水隧洞內(nèi)部初始圍巖溫度能減少支護結構的變形；反之，引水隧洞的穩(wěn)定性越差；提升引水隧洞內(nèi)部水溫能減小隧洞內(nèi)外溫差，減少隧洞和支護結構變形；提升通水水頭，隧洞內(nèi)承受的內(nèi)水壓力增加，增加隧洞變形，嚴重時引起破壞。