富水区衬砌-围岩接触关系对外水压力影响研究

姚右文　任旭华　张继勋

(河海大学 水利水电学院， 南京　210098)



富水区衬砌-围岩接触关系对外水压力影响研究

姚右文任旭华张继勋

(河海大学 水利水电学院， 南京210098)

摘要：结合某大型富水区深埋隧洞工程，基于ABAQUS采用有限元分析法，通过调整过渡层渗透系数模拟围岩与隧洞之间的接触紧密程度，计算衬砌结构的受力特性，并结合规范中的外水压力折减系数法，提出合适的衬砌-围岩折减系数．结果表明：在主要考虑外水压力情况下通过调整过渡层单元的渗透系数来模拟衬砌与围岩的接触关系是合适的，围岩与衬砌的接触关系对于衬砌结构的受力有显著影响；当过渡层渗透系数增大到某一范围时，对衬砌受力影响逐渐变得不再敏感，此时基本处在衬砌与围岩之间有渗水通道的状态．当渗水通道存在时，计算外水压力时可以取折减系数在0.870左右．

关键词：衬砌；围岩；接触；ABAQUS

处于富水区的深埋隧洞由于其延伸长，埋深大，外水压力大等因素成为工程建设中的控制性工程．在西部大开发的水电工程中，深埋隧洞的高水压、突(涌)水灾害则成为工程建设的主要水问题[1]．文献[2]给出了在不同高外水压力下，衬砌水压力的折减系数．然而关于衬砌与围岩之间的连接紧密程度对于衬砌外水压力的影响，尚无深入研究．

1富水区衬砌受力特点

在水工隧洞中根据有无内水压力，将隧洞衬砌的计算分为内压和外压控制型，并主要将水荷载计算成边界力[3]．故在考虑外水压力下设计衬砌时，须同时考虑内水压力和外水压力．对于深埋隧洞，由于天然的地下水面线与隧洞轴线之间有很大的高差，从而形成相对较大的外水荷载．所以对于富水区隧洞而言，研究外水荷载对于衬砌结构受力至关重要．但是根据现行规范[4]中的折减系数法计算外水压力，只适合于埋深不大的隧洞．当地下水位高于隧洞60 m[5]，按现行方法对外水压力进行计算，衬砌将被压坏，但实际情况并非如此．目前计算外水压力的方法通常有：外水压力折减系数法、解析数值法、理论解析法、水文地球化学法和渗流分析法．

2模拟衬砌与围岩连接程度的实现方法

文献[3]指出在实际施工时，由于地下硐室的开挖所出现超挖、欠挖等作用，围岩与隧洞支护之间会出现很多贯通和半贯通的空隙．故灌浆圈内部分围岩与衬砌结构在施工过程中也常常会出现二者连接不紧密的状态，有时甚至会在衬砌外缘形成一个渗水通道，对衬砌结构受力产生不利影响．当衬砌不直接承受围岩压力，地下水压力直接作用在衬砌的外表面时，一般采用外水压力系数法讨论．

为了更好地分析衬砌结构受力，保证工程建设的安全，充分考虑模拟两者之间的连接密实度就具有现实的意义．本文结合规范中的外水压力折减系数法，提出衬砌-围岩折减系数法，在灌浆圈与衬砌之间设置一个过渡层，希望通过调整过渡层的渗透系数来模拟两者的接触关系，并计算衬砌-围岩在不同连接状态下的外水压力折减系数．在理想的情况下，过渡层的渗透系数与灌浆圈一样，当渗透系数越大时，认为两者之间的连接密实度越差．

3工程实例

3.1工程概况

某水电站利用雅砻江150 km长的大河弯，截弯取直，开挖隧洞集中水头引水发电．引水隧洞全线埋深较大，一般埋深为1 500～2 000 m，最大埋深约达2 525 m．两条辅助洞布置在引水隧洞南侧，平行于引水隧洞，与隧洞间距65 m，辅助洞纵坡为自流排水的“人”字坡．根据《某水电站深埋引水隧洞运行期隧洞围岩稳定及衬砌结构计算》课题所提供的数据，选取隧洞开挖完成后的近中期工况进行计算，具体参数见表1．

表1　计算断面与材料力学参数

3.2模型及边界条件

对隧洞群中的3号洞某典型断面进行分析，衬砌厚度0.6 m，灌浆圈选择8 m，设置过渡层厚1 m，具体布置见图1．

图1　引水隧洞结构断面概化图

采用有限元数值分析软件ABAQUS建模，三维模型采取笛卡尔坐标系，整体直角坐标系OXYZ，X轴垂直水流，Y轴沿水流方向，Z轴竖直向上；坐标原点选在模型左侧边界中部，计算范围为100 m×100 m，远远大于5倍洞径．模型中衬砌和过渡层剖分3层，有限元计算模型剖分详见图2．假定灌浆圈以及衬砌渗透系数在分析过程中保持不变，灌浆圈是岩体的部分，过渡层材料设置成岩体，衬砌材料设置成混凝土．岩体和混凝土的材料孔隙比均为0.003．

图2　断面3号洞段模型网格图

在模型左右两侧面施加X方向的位移约束，前后两面施加Y方向的位移约束，地面施加Z方向的位移约束；模型上表面施加总应力边界：(1 600-50)×0.002 72=4.216 MPa，上表面初始水头113 m，底面初始水头213 m，所以上、下表面的孔隙压力边界分别为1.13 MPa和2.13 MPa，左右两侧面默认为不透水边界．此算例研究饱和岩体，围岩体上、下边界的初始水压分别为1.13 MPa和2.13 MPa；围岩、衬砌的初始孔隙比均设为0.003，初始地应力(有效应力)通过ABAQUS中的关键字定义初始地应力输入，该初始地应力以自重应力为主，侧压力系数为0.8．

3.3计算结果及分析

选取上述边界条件和衬砌布置方式为典型工况，计算衬砌与灌浆圈理想接触时衬砌应力分布如图3所示．

图3　衬砌应力分布图(MPa)

在本文中衬砌当作透水处理，由于外水压力的作用，最大拉应力出现在拱底外侧，其值为1.04 MPa；最大压应力出现在拱脚内侧，其值为13.20 MPa．

在上述典型工况计算的基础上，调整过渡层渗透

系数，研究衬砌与围岩之间的连接密实度对于衬砌受力的影响规律．

1)渗透系数与衬砌连接状态分析

选取渗透系数从理想状态下7.5×10-6cm/s逐次向上增大进行计算，衬砌受力规律见图4～图5，其具体计算结果见表2．

图4　渗透系数与σ1关系曲线图

图5　渗透系数与σ3关系曲线

(单位：MPa)

由图4～图5可知过渡层的渗透系数逐渐增大，拉应力逐渐增大，由理想状态的1.039 MPa增加到1.086 MPa，增加了4.52%，与此同时压应力由11.45 MPa增加到13.04 MPa，改变了13.89%．继续增大过渡层渗透系数时，其变化已经对衬砌受力没有多大影响，衬砌受力已经趋近稳定．

在过渡层渗透系数为1 m/s以上时，经计算得出σ1为1.087 MPa，σ3为-13.04 MPa．说明当渗透系数增大至某一范围时，对于衬砌的受力影响很小．由图4～图5可见，当渗透系数达到7.5×10-4cm/s时，灌浆圈与衬砌的接触已经相当弱．过渡层渗透系数增大到足够大时，可以模拟在工程中由于施工问题衬砌和灌浆圈脱离，外水压力直接作用在衬砌上的状态．

2)衬砌-围岩外水压力折减系数

由表2可知，当过渡层渗透系数增大到对衬砌受力不再敏感的范围时，此时可认为衬砌与灌浆圈脱离，即灌浆圈已失效，其作用在衬砌上的水头可等效于灌浆圈外部的水头．一般外水压力折减系数可定义为：

式中，β′为反应衬砌-围岩连接状态的折减系数；H1为衬砌结构表面地下水压力；H2为灌浆圈外部地下水压力．

由计算模型可知，灌浆圈水头为1.779 MPa，故随着过渡层渗透系数的增大，β′的变化见表3．

表3　渗透系数与β′的关系

由表3可知，当衬砌与围岩连接密实、接触良好时外水压力折减系数可取0.858，当衬砌与围岩连接不紧密，甚至在两者之间存在渗漏通道时，其折减系数可取0.870．故在工程中如需计算衬砌外水压力，可根据洞室施工及衬砌支护的现场情况对外水压力进行折减，其折减系数参考范围在0.858～0.870之间．

4结语

本文以某在建深埋隧洞为工程背景，重点分析衬砌与围岩之间的连接密实度对于衬砌受力的影响规律，经过计算与分析得到以下结论：

1)经过以上分析，采用调整过渡层渗透系数来模拟衬砌与围岩连接紧密程度对外水压力的影响是有效的．不论何种工况，过渡层渗透系数对于压应力的影响大于对拉应力的影响；随着过渡层渗透性的增强，衬砌结构受力越来越大，当其渗透系数增大到某一范围时，对衬砌受力影响逐渐变得不再敏感，此时基本处于在衬砌与围岩之间有渗水通道的状态．

2)一定情况下当衬砌作用外水为全水头时，最大拉应力为1.04 MPa，但范围极小，属于典型的应力集中现象，主要出现在拱底外侧．大部分断面的最大主拉应力在0.41 MPa以内，整个衬砌呈现内侧受压，外侧受拉的趋势．最大压应力出现在拱脚内侧，其值为13.20 MPa．

3)经过本文的定量分析，如实际工程中遇见和本文类似的大型富水区深埋隧洞工程，需计算衬砌外水压力时，可以参考本文所采取的模拟方式和外水压力折减建议值．本文经过计算和分析后，建议外水压力折减系数的参考范围是0.858～0.870．当衬砌与围岩脱离达到一定程度时，建议β′取0.870；当衬砌与围岩联合承载、连接紧密时，建议β′取0.858．

参考文献：

[1]任旭华，陈祥荣，单治钢．富水区深埋长隧洞工程中的主要水问题及对策[J]．岩石力学与工程学报，2004，23(11)：1924-1929．

[2]王建宇．再谈隧道衬砌水压力[J]．现代隧道技术，2003，40(3)：5-10．

[3]王建秀，杨立中，何静．深埋隧道衬砌水荷载计算的基本理论[J]．岩石力学与工程学报，2002，21(9)：1339-1343．

[4]SD 134-1984．水工隧洞设计规范[S]．北京：中国水利水电出版社，2003．

[5]张有天．岩石隧道衬砌外水压力问题的讨论[C]．中国岩石力学与工程学会第三次大会论文集，1994：1-8．

[责任编辑王康平]

Analysis of Impact of Contact Relationship between Lining and Surrounding

Rock on External Water Pressure in Rich Water Areas

Yao YouwenRen XuhuaZhang Jixun

(College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractBase on one large deep tunnel project in rich water region, this paper uses finite element method on ABAQUS to simulate the contact relationship between surrounding rocks and tunnels by adjusting the coefficient of permeability transition layer and calculate the stress of the lining structure features. Meanwhile, this paper also suggests a possible value of β' based on the regulation. The results show that it is reasonable to simulate the contact relationship by adjusting the coefficient of permeability transition layer under the condition of main external water pressure. Plus, transition layer permeability coefficient has a significant influence on the compressive and tensile stresses; when the transition layer permeability increases to a certain extent, it gradually becomes no longer sensitive to the stress of lining, which means practical water seepage channels are appeared between the lining and surrounding rocks; 0.870 is the advisable value of β' when the practical water seepage is existed.

Keywordslining；surrounding rock；contact；ABAQUS

基金项目：国家自然科学基金项目(51209078)

收稿日期：2015-07-15

中图分类号：TV554

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2015)06-0052-04

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.011

通信作者：姚右文(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向为地下工程结构．E-mail：1183443246@qq.com