余 勇

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，迎來了水利工程和交通運(yùn)輸?shù)然A(chǔ)工程建設(shè)的高峰期，引水隧洞的穩(wěn)定性在很大程度上影響經(jīng)營效益和工程建設(shè)的投資，對工程修建的可行性決策起到控制作用[1- 2]。因此，水電站引水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究逐漸成為工程科技界關(guān)注的熱點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者對于支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究，丁佳峰等人[3]研究了隔熱材料對支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，提出了初期支護(hù)+隔熱層+二次襯砌的支護(hù)方式，但未進(jìn)行具體研究。王排排[4]利用物理模型試驗(yàn)研究了隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性，考慮了地?zé)釣?zāi)害和埋深對隧洞的影響。林建東等人[5]對隧道隔熱技術(shù)進(jìn)行了研究，對所需的制冷功率和不同材料的隔熱效果進(jìn)行了試算。本文以哈德布特水電站引水隧洞工程為研究對象，對工程建設(shè)期和運(yùn)行期支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分別計(jì)算不同監(jiān)測點(diǎn)的安全系數(shù)、結(jié)構(gòu)位移和等效應(yīng)力，對水電站引水隧洞工程建設(shè)提供理論指導(dǎo)，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況及模型建立

1.1 工程概況

哈德布特水電站位于額爾齊斯河上游干流河段，是一座長隧洞高水頭引水式電站，引水樞紐總庫容170萬m3，最大壩高44.7m，引水流量78.6m3/s，額定水頭311.49m，為小(1)型工程。隧洞地質(zhì)情況復(fù)雜，從引水隧洞樁號Y7+010開始出現(xiàn)高溫地?zé)釣?zāi)害，洞內(nèi)平均溫度達(dá)51℃，而冬季水溫僅為6℃，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)溫差較大，且該洞段屬于高地應(yīng)力地區(qū)，存在較大的初始地應(yīng)力。

1.2 熱-固耦合分析模型

由熱力學(xué)理論可知，物體傳熱方式分別是熱對流、熱傳導(dǎo)和熱輻射，而支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖之間的傳熱方式為熱傳導(dǎo)，其熱傳導(dǎo)方程為[6- 7]：

(1)

式中，W—物體熱源強(qiáng)度；ρ—物體的密度，kg/m3；c—物體的比熱容，J/(kg·℃)；λ—物體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；T=T(x，y，z，t)。

施工過程通過泵送混凝土，忽略水泥水化熱所釋放的熱量，邊界條件和能量平衡方程為[8]：

(2)

[K]{T}={Q}

(3)

式中，λs和λc—不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)；Tc和Ts—不同材料接觸面的溫度；{Q}—節(jié)點(diǎn)熱流率向量；{T}—節(jié)點(diǎn)溫度向量；[K]—系數(shù)矩陣。

脆性材料的強(qiáng)度準(zhǔn)則包括Drucker-Prager強(qiáng)度準(zhǔn)則、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論、von Mises強(qiáng)度理論、Tresca強(qiáng)度準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則等[9]。本文采用摩爾-庫侖強(qiáng)度理論對支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)和破壞表達(dá)式如下：

表1 材料參數(shù)

(4)

|τ|=c-σtanφ

(5)

式中，Sc—材料的抗壓應(yīng)力極限；St—分別為材料的抗拉應(yīng)力極限；σ1—各個(gè)節(jié)點(diǎn)上第一主應(yīng)力；σ3—各個(gè)節(jié)點(diǎn)上第三主應(yīng)力。

1.3 計(jì)算參數(shù)

通過類似工程及本工程的實(shí)際情況，確定模型中的力學(xué)參數(shù)見表1。

2 建設(shè)期支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

2.1 襯砌厚度對支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

不同襯砌厚度條件下，襯砌地面最大應(yīng)力和混凝土襯砌失穩(wěn)比變化曲線，分別如圖1和圖2所示?？梢钥闯觯S著襯砌厚度的增加，襯砌地面最大應(yīng)力為先增大后趨于平穩(wěn)，而失穩(wěn)比先減小后增大，即單純增加襯砌厚度，不能有效提高襯砌的穩(wěn)定性。當(dāng)襯砌厚度為0.27m時(shí)，等效應(yīng)力穩(wěn)定在13.31MPa左右，其失穩(wěn)比最小，支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最好。

圖1 襯砌地面最大應(yīng)力變化

圖2 混凝土襯砌失穩(wěn)比

2.2 襯砌厚度對地震反應(yīng)的影響分析

工程區(qū)處于地震帶和地層斷裂帶交匯處，襯砌的耦合情況較多、受力情況比較復(fù)雜，因此研究不同襯砌厚度對地震的響應(yīng)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為便于分析，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位設(shè)置了8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖3、圖4所示。可以看出，隨著襯砌厚度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)位移不斷增大，襯砌厚度每增加0.05m，支護(hù)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)位移漲幅約為11.10%。襯砌厚度為0.52m時(shí)，在地震作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的位移響應(yīng)，平均位移為14.84mm。表明支護(hù)結(jié)構(gòu)的地震位移響應(yīng)與襯砌厚度基本成正比例關(guān)系，但襯砌厚度較大時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)有可能與地震發(fā)生較大響應(yīng)。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)示意圖

圖4 不同襯砌厚度支護(hù)結(jié)構(gòu)的地震位移響應(yīng)

3 運(yùn)行期支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

在無隔熱層和有隔熱層條件下，選取各監(jiān)測點(diǎn)的安全系數(shù)、位移以及最大主應(yīng)力，作為評價(jià)襯砌穩(wěn)定性的指標(biāo)，對襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。支護(hù)結(jié)構(gòu)及隧洞的斷面圖，如圖5所示。

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比分析

各監(jiān)測點(diǎn)一期混凝土的最大主應(yīng)力分布如圖6所示?？梢钥闯觯瑹o隔熱層和有隔熱層兩種條件下，一期混凝土的應(yīng)力分布趨勢基本一致。不設(shè)隔熱層時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小應(yīng)力均出現(xiàn)在底腳，即3號和5號測點(diǎn)，應(yīng)力值分別為4.79MPa和4.98MPa；支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在拱腰，即2號和6號測點(diǎn)，應(yīng)力值分別為25.21MPa和25.60MPa。設(shè)置隔熱層后各測點(diǎn)應(yīng)力平均減小約44.99%，其中最小應(yīng)力分別減小為2.08MPa和1.69MPa，最大應(yīng)力分別減小為15.14MPa和14.56MPa。

圖6 一期混凝土最大主應(yīng)力

各監(jiān)測點(diǎn)二期混凝土的最大主應(yīng)力分布如圖7所示。可以看出，無隔熱層和有隔熱層兩種條件下，二期混凝土的應(yīng)力分布趨勢基本相同，最小應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂，應(yīng)力值約為8.08MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰，約為22.50MPa。

圖7 二期混凝土最大主應(yīng)力

上述結(jié)果表明，隔熱層的設(shè)置能有效改善一期混凝土的受力情況，但對二期混凝土的受力分布影響甚微。無隔熱層時(shí)一期混凝土存在較大的溫度梯度，溫度應(yīng)力較大，設(shè)置隔熱層后，明顯減小了混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力，阻斷高溫對襯砌的影響。因此，隔熱層能夠顯著改善一期混凝土的受力情況。二期混凝土溫度應(yīng)力較小，所受的荷載主要為內(nèi)水壓力，因此二期混凝土的受力情況基本不受隔熱層的影響。

3.2 結(jié)構(gòu)位移對比分析

各監(jiān)測點(diǎn)一期混凝土和二期混凝土的位移分布，分別如圖8、圖9所示?？梢钥闯?，在有、無隔熱層兩種情況下，一期混凝土和二期混凝土位移趨勢基本相同。隔熱層增大了襯砌結(jié)構(gòu)的位移，其中一期混凝土位移平均增大約為14.83%，二期混凝土位移平均增大約為14.84%。主要由于隔熱層雖然能減小混凝土的溫度應(yīng)力并改善受力特性，但隔熱層材料線膨脹系數(shù)較大、彈性模量較小，受熱會產(chǎn)生較大膨脹，在一定程度上增大了襯砌結(jié)構(gòu)的位移。兩底角(3號與5號測點(diǎn))的襯砌結(jié)構(gòu)位移最小，最大位移出現(xiàn)在拱頂(8號測點(diǎn))，襯砌底面向上拱起，襯砌拱腰向圍巖側(cè)拱起，拱頂沉降較明顯。

圖8 一期混凝土位移

圖9 二期混凝土位移

3.3 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)對比分析

選取適用于脆性材料的摩爾-庫侖強(qiáng)度理論，對混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，一期、二期混凝土各測點(diǎn)安全系數(shù)分別如圖10、圖11所示。可以看出，隔熱層能明顯提高混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。無隔熱層時(shí)，在各測點(diǎn)安全系數(shù)均小于1，可判定結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞。設(shè)置隔熱層后，一期測點(diǎn)安全系數(shù)得到明顯的提高，各測點(diǎn)的安全系數(shù)均大于1；二期除3號和5號測點(diǎn)安全系數(shù)大于1以外，其余各測點(diǎn)仍小于1，表明二期混凝土襯砌仍會發(fā)生破壞。主要原因是，不設(shè)隔熱層時(shí)，混凝土襯砌結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力較大，嚴(yán)重降低了一期、二期混凝土安全系數(shù)；設(shè)置隔熱層后，能大幅減小一期混凝土的溫度應(yīng)力，但由于拱效應(yīng)的存在，襯砌臨空面混凝土拉應(yīng)力較大，安全系數(shù)稍低；而二期混凝土的受力分布受隔熱層影響較小，在較大內(nèi)水壓力的作用下仍然容易發(fā)生破壞。

圖10 一期混凝土安全系數(shù)

圖11 二期混凝土安全系數(shù)

隧洞貫通后對圍巖進(jìn)行噴錨支護(hù)，并對混凝土進(jìn)行雙層配筋，配筋率為0.54%。一期、二期混凝土的安全系數(shù)，如圖12、圖13所示?？梢钥闯?，配筋后對一期混凝土的安全系數(shù)影響較小。而二期混凝土安全系數(shù)明顯增長，不設(shè)隔熱層時(shí)，除底腳外其余測點(diǎn)安全系數(shù)均小于1；設(shè)置隔熱層后，測點(diǎn)的安全系數(shù)均值為1.62，且均大于1，能夠滿足工程安全性的要求，因此采用噴錨支護(hù)+隔熱層+鋼筋混凝土的支護(hù)結(jié)構(gòu)，更符合工程實(shí)際。

圖12 配筋后一期混凝土安全系數(shù)

圖13 配筋后二期混凝土安全系數(shù)

4 結(jié)論

本文以哈德布特水電站引水隧洞工程為例，對工程建設(shè)期與運(yùn)行期隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：襯砌厚度較大時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)有可能與地震發(fā)生較大響應(yīng)，襯砌厚度為0.27m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最佳；在混凝土襯砌與圍巖之間設(shè)置隔熱層能顯著減小溫度應(yīng)力，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，但襯砌結(jié)構(gòu)平均環(huán)向位移增大約14%，一期混凝土襯砌基本滿足工程需求。采用噴錨支護(hù)+隔熱層+鋼筋混凝土的支護(hù)結(jié)構(gòu)更符合工程實(shí)際。