基于ANSYS的引水隧洞衬砌结构有限元分析

2018-11-21谭智天刘超

科技与创新 2018年21期

谭智天，刘超

谭智天，刘超

（华北水利水电大学，河南郑州 450046）

以某输水工程中引水隧洞为研究对象，选取典型断面，利用ANSYS软件建立衬砌结构的二维有限元模型。对隧洞衬砌结构在不同工况荷载作用下的受力情况进行计算分析，得到其变形和内力分布规律。计算结果表明，衬砌结构满足承载要求，结构为偏心受压构件，顶拱和侧墙顶部的变形量较大，侧墙和底板连接处的内力值最大。可采取固结灌浆措施提升围岩稳定性，加大侧墙底板连接处的结构强度，从而达到结构优化的目的。

引水隧洞；衬砌结构；有限元；结构强度

为了解决我国水资源分布不均匀这一问题，国内兴建了大量的输水工程，水工隧洞作为其重要组成部分，在整个工程中发挥着至关重要的作用。钢筋混凝土衬砌结构作为隧洞的主要支护方式，掌握衬砌结构的变形和内力分布规律，对于隧洞合理的设计和加固具有十分重要的意义。当前，对于无压水工隧洞衬砌结构通常采用衬砌边值法进行计算，而有限元法作为近年来发展最快的计算方法，能够较为真实和准确地反应衬砌结构受力特征[1]。采用有限元法对隧洞衬砌结构的安全稳定性进行评价，获得一些有益的结论，为隧洞的衬砌结构的设计和加固提供参考[2]。

1 工程概况

某取水工程为Ⅱ等大（2）型工程，设计取水流量22.35 m3/s，主要建筑物包括取水口、1#、2#无压引水隧洞、沉沙池及地下泵站、出水压力管道、出水池等建筑物，取水口到出水池距离约为2.5 km。1#、2#引水隧洞为2级建筑物，1#引水隧洞总长为554.67 m，设计为断面城门洞型，断面尺寸5 m×6.35 m（宽×高），衬砌厚40 cm、50 cm，设计纵坡=1/3 000，末端接沉沙池。2#引水隧洞总长为2 020.107 m，设计为断面城门洞型，断面尺寸4 m×5.8 m（宽×高），衬砌厚40 cm，设计纵坡=1/3 000，末端接进水池。

本文取1#引水隧洞衬砌厚50 cm的典型断面B为研究对象，采用荷载-结构法，即认为围岩对衬砌结构的作用以荷载的形式施加于衬砌表面，同时考虑围岩与衬砌之间存在弹性抗力，从而计算衬砌结构的变形和分布规律[3]。

2 有限元模型的建立

根据该工程实际情况，选取1#引水隧洞中地质条件较差的典型断面为对象，断面尺寸为5 m×6.35 m（宽×高）的城门洞形，顶拱中心角180°，衬砌厚度0.5 m。采用ANSYS软件中Beam188梁单元模拟混凝土衬砌结构，取1 m宽，Combin14弹簧单元模拟围岩与衬砌结构之间的弹性抗力，建立二维有限元模型。求解过程中需要对所有单元施加平面约束，弹簧单元施加和方向的约束。在施加荷载时，将作用在衬砌上的围岩压力和水压力转化为等效节点力，分别按水平和垂直方向的分力施加在节点上，同时施加重力加速度来模拟衬砌结构自重。由于围岩和衬砌之间的不承受拉力，需要通过多次迭代计算将受拉的弹簧单元删除，从而得到最终结果。

3 计算参数及工况

3.1 力学参数

隧洞衬砌结构材料参数如表1所示。

表1 隧洞衬砌结构材料参数值

材料泊松比弹性模量E/GPa容重γ/（kN/m3）单位弹性抗力系数/（MPa/cm） Ⅴ类围岩0.40.6525.453 C25混凝土0.1672824—

3.2 计算荷载

3.2.1 围岩压力

围岩压力按《水工建筑物荷载设计规范》[4]中式（8.3.3）和（8.4.4）计算，垂直山岩压力：

式（1）中：v为垂直均布压力，kN/m2；R为岩体容重，kN/m3；为洞室开挖跨度，m。对于0.2～0.3的系数，本文Ⅴ类围岩取0.3.

水平山岩压力为：

式（2）中：k为水平均布压力，kN/m2；为洞室开挖高度，m。对于0.05～0.1的系数，本文Ⅴ类围岩取0.1.

3.2.2 水压力

内水取衬砌底板中心线基准进行计算，该断面内水水头标准值为3.66 m，设计值为3.91 m。外水压力按地下水位线距隧洞底部的高度取值，该断面外水水头标准值为11 m。根据《水工建筑物荷载设计规范》中式（5.2.2）计算，外水压力为：

式（3）中：e为作用在衬砌结构外表面的外水压强，kN/m2；e为外水压力折减系数，取1.0；e为设计采用的地下水位线至隧洞中心的作用水头，m。

3.3 计算工况

对于地下隧洞，根据《水工隧洞设计规范》[5]附录I，对于承载能力极限状态需考虑持久状况、短暂工况及偶然状况，但是本工程不存在校核洪水位，属于无压隧洞，可以不考虑偶然工况。正常使用极限状态需按持久状况进行考虑，以最不利荷载组合作为计算工况荷载条件进行计算。根据实际计算分析的需求，拟定以下2种工况，如表2所示；不同工况下的荷载分项系数如表3所示。

表2 计算工况

工况工况说明荷载组合衬砌自重围岩压力外水压力内水压力 1持久状况（内水水头3.91 m）√√√√ 2短暂工况（检修期）√√√—

表3 荷载分项系数

工况自重荷载围岩压力外水压力内水压力 11.051.21.21.2 21.051.21.2—

3.4 内力计算结果

根据有限元计算分析结果可知，衬砌结构在各项荷载作用下，侧墙和底板连接处的弯矩值最大，结构以受压为主，最大轴力值位于侧墙底部，底板两侧剪力值最大，顶拱处的内力值均较小。各项内力的最大值均出现在工况2，底板外侧最大弯矩－137.074 kN·m，内侧最大弯矩65.479 kN·m，轴力－203.298 kN，最大剪力233.393 kN；侧墙外侧最大弯矩－137.074 kN·m，内侧最大弯矩20.478 kN·m，轴力294.673 kN，最大剪力181.722 kN；顶拱外侧最大弯矩－24.522 kN·m，轴力－233.756 kN。工况2的轴力、弯矩和剪力分布图分别如图1、图2、图3所示。

由内力计算结果可知，衬砌结构的配筋由检修工况控制，综合考虑结构受力，对衬砌结构进行配筋。经计算，衬砌结构的顶拱、侧墙和底板均为大偏心受压构件，配筋结果均未满足最小配筋率，按最小配筋率进行配筋，即各部位内、外侧纵筋配筋面积均为1 000 mm2。原设计采用内侧B16@200 mm，外侧B18@200 mm，钢筋截面面积为1 005 mm2和1 139 mm2，满足承载要求。

4 结束语

本文采用ANSYS软件建立1#引水隧洞典型断面的有限元模型，利用荷载-结构法对衬砌结构进行有限元分析，得出了衬砌结构在不同工况下的变形和内力分布规律，由此判断衬砌结构的安全稳定性，并提出合理的建议措施。计算结果表明，隧洞衬砌结构满足承载能力要求，隧洞在围岩压力、水压力、自重等荷载作用下，围岩与衬砌之间仅在底板两侧存在弹性抗力。衬砌结构顶拱和侧墙上部的向内变形量较大，可采取固结灌浆措施，提升围岩的整体性和稳定性。衬砌结构为偏心受压构件，其底板和侧墙的受力较大，尤其是侧墙和底板的连接处内力值最大，可适当采取措施加大该连接处的结构强度。