基于仿真分析的引水隧洞襯砌裂縫發生規律研究

張鳳達

(佛山市南海區大瀝水利所,廣東 佛山 528231)

0 引 言

在大規模輸調水工程中,長時間服役下的引水隧洞會產生一系列的病害,對隧洞的使用壽命造成威脅。許多學者通過現場實時監測數據或采用仿真模擬的方式,對隧洞的襯砌病害以及隧洞的安全性評估開展了相關研究。謝志偉等[1]通過監測已服役18年的某隧洞表面裂縫、混凝土應變以及地下水水質分等,獲得了襯砌結構變形的主要影響因素。保純志[2]通過使用回歸分析以及數據統計的方式,針對洞壁裂縫開展了研究,并獲得了裂縫的變化規律以及盤道嶺隧洞圍巖的穩定性情況。樊立博[3]基于某隧洞運行期間的病害數據,采用GSA-PP的算法,對襯砌的健康情況進行了評估。趙曉紅等[4]采用Flac開展了數值仿真模擬研究,探討了隧洞襯砌結構的安全性。劉幸等[5-6]通過非線性有限元法,針對隧洞的襯砌結構開展了數值計算,同樣對襯砌結構的安全性進行了評估。

基于以上成果,本文以服役超20年的某隧洞為例,采用現場實測數據與三維有限元分析相結合的方式,對隧洞襯砌裂縫情況進行分析研究。研究結果可為長期服役下的隧洞裂縫防治提供參考。

1 工程概況

某水源工程引水隧洞長約3 700m,水位深度約4.0m,埋深14～119m。典型斷面的襯砌結構見圖1;圍巖類別的隧洞襯砌結構相關參數見表1。

2 裂縫情況統計

借助特種設備,對隧洞全線的裂縫情況進行統計。統計內容包括外觀的缺陷,裂縫的數量、長度、寬度等情況,損傷狀態如脫落、沖蝕等情況,點、線、面的滲透情況,以及變形或位移等情況。此外,還進行了專項檢測,檢測內容包括混凝土的彈性模量、抗壓輕度以及地下水的水質等。為了便于對裂縫的密集程度進行表征,引入“條/m”表征裂縫密度,即每米隧洞平均下來有多少條裂縫。其中,根據圍巖類型對裂紋密度的統計結果見表2。

圖1 不同典型斷面的隧洞襯砌結構示意圖

表1 不同圍巖類別的隧洞襯砌結構相關參數

表2 隧洞裂紋密度情況統計

圖2為不同圍巖下的裂縫密度。結合表2對該隧洞運行過程中的裂縫密度的數據統計,隧洞最多的裂縫類型為襯砌裂縫,總的裂縫數目為373條;裂縫密度并不會因圍巖類型越好而降低。由圖2可知,Ⅱ類圍巖裂縫密度最高,占比15%;Ⅴ類圍巖的密度最低,占比7%;Ⅲ類和Ⅳ類圍巖的裂縫密度分別為11%和12%。

3 仿真模擬介紹及參數設置

采用Flac有限元分析軟件開展仿真模擬,進一步探究該隧洞裂紋密度差異性的具體原因。在進行有限元仿真建模中,基于摩爾-庫倫模型,以地質埋深高度為頂部,且采用自由邊界的條件;徑向與底部圍巖取5倍洞徑以上的范圍,且采用法向位移約束作為邊界條件。采用六面體單元剖分,其中涉及的4種模型參數見表3。

圖2 不同圍巖類別下的裂縫密度

表3 模型參數設置

外壓水力的計算公式如下:

Pe=βeγωHe

(1)

式中:pe為作用于襯砌表面的外壓水力,kN/m2;βe為折減系數;γω為水的容重,取值9.8 kN/m3;He為地下水位線至隧洞中心的作用水頭,m。

本次研究共對兩種工況開展了仿真模擬,見表4。

表4 模擬工況設置

4 仿真模擬結果分析

4.1 工程的初始地應力場分析

根據統計的現場數據表明,圍巖的變形特性呈現長久性。通過進一步Flac有限元分析模擬,得到初始地應力場分布情況,見圖3。

圖3 不同圍巖類別下的地應力場與裂縫密度

由圖3可知,4類圍巖的地應力場分布為0.6～2.5MPa。其中,Ⅱ類圍巖的地應力場值最大,約2.5MPa;埋深最小的Ⅴ類圍巖初始地應力場最小,約0.6MPa。而裂縫的密度會隨著初始地應力場的減小而減小,也即初始地應力場越大,裂縫的密度也就越大,反映了襯砌狀態也就越差;對于初始地應力場最小的Ⅴ類圍巖,其裂縫密度也最小,約8%,相較于Ⅱ類圍巖的25%,裂縫密度降低17%。

4.2 襯砌厚度對應力的影響分析

針對襯砌厚度對最大主拉應力造成的影響進行分析,以工況1為例,不同襯砌厚度影響下的最大主拉應力和裂縫密度變化見圖4。

圖4 不同襯砌厚度影響下的最大主拉應力和裂縫密度變化(以工況1為例)

由圖4可知,工況1中最大主拉應力呈下降趨勢。其中,Ⅱ類圍巖(對應25cm厚襯砌)的最大主拉應力最大,約0.74MPa;Ⅴ類圍巖(對應40cm厚襯砌)的最大主拉應力最小,約0.46 MPa,相較于Ⅱ類圍巖下降約38%;Ⅲ類圍巖(對應30cm厚襯砌)和Ⅳ類圍巖(對應35cm厚襯砌)的最大主拉應力幾乎持平,為0.68 MPa。由此可以得出,最大主拉應力與襯砌的厚度呈負相關的關系,襯砌厚度越大,最大主拉應力越小,對應的裂縫密度也越小[7]。

4.3 外水壓力對裂縫的影響分析

針對外水壓力對裂縫的影響進行研究,通過對工況1和工況2進行仿真模擬分析,結果見圖5。

圖5為考慮外水壓力與否造成的最大主拉應力與垂向位移變化。由圖5可知,當不考慮外水壓力時,4類圍巖襯砌所受到的最大主拉應力均有明顯下降,最大垂向位移也有所下降。其中,作用于Ⅲ類圍巖襯砌上的最大主拉應力下降最大,約0.11MPa,而Ⅱ類圍巖的最大垂向位移相較于工況1降低最多,約0.24cm。由此可以看出,外水壓力會影響襯砌的受力,進而發生垂向位移,而外水壓力的增大也會導致襯砌受力的增大,促進了襯砌裂縫的形成。因此,外水壓力也是造成襯砌裂縫形成的一個不可忽略的因素。

圖5 外水壓力造成的最大主拉應力與垂向位移對比

5 結 論

為了研究隧洞襯砌結構裂縫的發生規律,采用現場實測的方法,對隧洞襯砌結構裂縫的分布規律進行了分析。結論如下:

1)通過現場裂縫情況統計,隧洞多裂縫類型為襯砌裂縫;不同圍巖下的裂縫密度呈現不同的分布情況,裂縫密度不會因圍巖結構好而降低。

2)裂縫密度會隨著初始地應力場的減小而減小。對于初始地應力場最小的圍巖,裂縫密度最小;初始地應力場最大的圍巖,裂縫密度最大。

3)最大主拉應力與襯砌的厚度呈負相關的關系,襯砌的厚度越大,最大主拉應力越小,裂縫密度越小;外水壓力會影響襯砌的受力,外水壓力的增大也會導致襯砌受力的增大,促進襯砌裂縫的形成;外水壓力是造成襯砌裂縫形成的重要因素。