高压水工隧洞衬砌承载结构稳定性分析

任 睿

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 伊宁 835000)

0 引 言

随着中国经济的迅猛发展，城市间水电资源供应不平衡的矛盾日益突出。为了缓解这一问题，中国各地兴建了一大批水电工程。深埋长隧洞作为这些工程建设主要的水工构筑物，也促进了高压水工隧洞的发展。这些水工隧洞工程一般规模较大，其中许多位于山区，地质和地形条件复杂。同时，由于衬砌结构与围岩的相互作用机制不明确，以及高地应力和高水压的影响，在施工和运营期间，围岩和衬砌支撑结构的稳定性受到严重威胁。目前，高压水工隧道开挖和运营过程中衬砌结构的稳定性分析已经成为一个紧迫的工程问题。但是，关于这方面的理论分析和研究主要集中于隧洞开挖阶段[1]，而对运营期支护结构特别是衬砌结构的稳定性研究并不充分。因此，需要更加重视受内外水压力、岩体的长期强度和工况变化等各因素影响隧洞衬砌结构的稳定性分析研究。

许多学者对衬砌结构进行了研究工作。C.Blom等人利用有限元分析软件建立了交错接头的衬砌模型，并考虑了以围岩压力为主的各种载荷，分析了衬砌结构在开挖和支护过程中的应力。胡如军[2]等人对围岩厚度、衬砌刚度以及实参数等影响衬砌计算结果的参数进行了研究，分析了这些参数对衬砌结构的影响规律。张鹏等[3]通过实际工程，结合各主流地下结构的设计方法，研究了应力和渗流耦合作用下衬砌的结构变形及内力变化。苏凯等[4]对衬砌结构开裂前后围岩渗透系数和变形模量等参数对衬砌和围岩协同承载特性的影响进行了研究。李腾等[5]基于隧洞透水衬砌设计的方法，分析衬砌的厚度、配筋率和围岩渗透特性对衬砌结构安全稳定性的影响。曲星等[6]研究了围岩力学参数对高压水工隧洞运营期的衬砌受力影响。操毅[7]通过模态分析原理和振型分解反应谱法，对衬砌结构的各个影响因素进行分析，找到了应力集中和易损部位，得到了关键点的变形趋势。蒋晖[8]则通过对引水隧洞全过程周期进行有限元模拟，计算分析不同工况不同衬砌结构形式的导流洞和引水隧洞的衬砌结构稳定性，得出不同条件对衬砌结构稳定性的影响。

文章以钢衬、混凝土衬砌以及围岩渗透系数3个角度，结合工程实例，探索对运营期高压水工隧洞稳定性的影响，期望能为其他隧洞工程提供思路参考。

1 工程概况

文章依托于某一大型抽水蓄能水电工程，设计总装机容量为2400MW。高压引水隧洞是该水电工程输水管线的重要组成部分。该隧洞段处于A厂的引水系统尾段，洞型为圆型，开挖洞径约为9.8m，衬砌厚0.8m，过水洞径约为9.0m，最大水头为145.37 m。隧洞总体结构为C25钢筋混凝土结构，部分区段围岩情况较差，需要钢衬构件支撑加固，其中钢衬厚26mm，弹性模量210GPa，混凝土与钢衬之间需预设间隙1.6mm。该高压引水隧洞在运营期内部水压力最高可达6.29MPa，是承受内水压力最大的洞段。因此，研究该洞段的衬砌结构稳定性对于整体工程安全至关重要。

2 模型建立

地下工程中一般把隧洞的衬砌和围岩作为一个承载的整体，围岩和衬砌参数也是计算衬砌受外荷载的变形以及内力的主要影响因素。故对衬砌结构的影响分析主要是对围岩和衬砌不同参数下的影响分析。

模型坐标系设置以水工隧洞岔口中心为坐标原点，以隧洞下游指向为X 轴正方向，-125.81-59.78 m之间；以垂直水流方向为Y轴正方向，-67.70-48.00m之间;以垂直大地坐标向上为Z 轴正方向，深度在-28.07-381.00m之间。有限元模型总共剖分395013个等参单元，其中包含衬砌单元12964个，开挖单元5432个。衬砌单元中实际用于计算的包括钢衬单元154个，混凝土衬砌单元2016个。水工隧洞模型，见图1；衬砌模型，见图2。

(a)区域模型 (b)衬砌模型

(a)混凝土衬砌模型 (b)钢衬砌模型

根据地应力实测结果反演得到初始地应力场，结果显示隧洞附近最大主应力在-4--9MPa之间，是偏低应力场。水工隧洞区域岩体类别主要为Ⅲ类，部分区段为Ⅳ类，模型中的材料参数见表1。

表1 模型中的材料参数

采用有限元的方法对水工隧洞运营期进行全过程的三维弹塑性受损数值模拟，断面选用Ⅳ类岩层穿过段所在截面，分析水工隧洞运营期复杂的负载过程稳定性。计算高压水工隧洞充水运营阶段，渗流场作用下衬砌结构的开裂受损。内水压力通过梯形加载的模式施加，以确保非线性问题的收敛性，应力场和渗流场的稳定表现为迭代平衡。

3 数值计算结果与分析

3.1 钢衬砌单独承载分析

对钢衬砌的初始间隙闭合过程进行数值模拟，钢衬砌承载系数，见图3。根据计算结果，钢衬砌能够承受18-34%的弹性荷载，具体承受的弹性荷载比值会因钢衬自身重量、混凝土和内水压力坡度分布的影响而由上而下递减，但钢衬各点承受的水头基乎不变，约为38m，与分析解基本一致。

图3 钢衬砌承载系数

3.2 混凝土衬砌受力受损分析

进行三维有限元模拟，对钢衬砌初始间隙闭合后衬砌结构和围岩共同承担的过程进行分析。结果表明，衬砌在开裂之前的内部水压主要由混凝土结构承载，与围岩处在黏结接触状态，应力情况良好。而衬砌在出现裂隙之后，由于内部水的渗出，围岩开始承受部分内部压力，与混凝土衬砌也开始局部出现错位滑移。混凝土衬砌受损系数，见图4，接触面破坏形式，见图5。图4显示，内部水压力在<85m的情况下，内部水压力由钢筋与混凝土共同分担，两者的变形协调一致，混凝土不会受损。在继续施加内部水压力时，衬砌腰拱处率先发生破坏并上下继续发展；在内部水压力>160m的状态时，此时衬砌的最大主应力逐渐大于混凝土的拉伸强度，混凝土出现裂隙，衬砌的渗透性因此增强，从而影响应力场和渗流场。图4显示了当所有内部水压被加载且达到迭代平衡时，衬砌结构的破坏系数分布。从图4可以看出，衬砌构件的破坏值在腰拱处达到最大值，进入破坏开裂之后逐渐向上下递减，最后达到弹塑性破坏阶段。通过分析可以得出，随着混凝土衬砌开裂程度的增加，会出现内部渗水，导致围岩承受较大的内部水头，引发局部的滑动和开裂。然而，在开挖阶段，衬砌的腰拱处受到损坏最大，其承载能力较低。因此，在计算渗流和应力耦合过程中，该部位衬砌的应力状态较为不利，容易进入破坏和开裂状态，引发腰拱处拉伸断裂破坏，并继续往两侧发展。

图4 混凝土衬砌受损系数

图5 接触面破坏形式

3.3 渗流场计算分析

凝土中裂隙的产生，渗透性明显变大，渗流场分布也因此受到影响。衬砌未考虑受损的压头等值线，见图7，为渗流场在假定衬砌渗透性不变的情况下分布。通过比对发现衬砌内的压头差在考虑受损之后明显降低，水力坡降也相应的减小。这意味着衬砌结构承受的内部水压力在考虑受损开裂情况后比重会减小，转由围岩部位承受更多的内水压力。由此可知在透水衬砌设计中，围岩的抗渗防渗能力必须重视，以预防围岩因内水外渗问题导致渗透破坏。

图6 衬砌受损阶段的压头等值线

图7 衬砌未考虑受损的压头等值线

3.4 围岩破坏区域分析

为了了解衬砌结构开裂之后水的渗出对水工隧洞围岩稳定性的影响。应用渗流场计算出的围岩渗流荷载，围岩受损伤阶段的破坏区分布，见图8；可以得到如图8所示的考虑内部渗水破坏和开裂后的围岩破坏区分布，围岩未考虑受损的破坏区分布，见图9。与图9中假设的不考虑渗透系数变化的围岩隧道破坏状况进行比较。根据计算结果，衬砌结构破坏开裂后，围岩的破坏范围增大，特别是在腰拱部，衬砌开裂程度严重、渗水头高的区域大大增加，并逐步发展到两侧。这意味着围岩在透水衬砌的设计基础上，会承受更多的内部水压力，从而其应力状态更加不利。在不考虑内水渗流的情况下，水工隧道的稳定性计算是比较保守的。因此计算模型选用衬砌受损开裂及内水外渗进行分析对于工程有更加积极的意义。

图8 围岩受损伤阶段的破坏区分布

图9 围岩未考虑受损的破坏区分布

3.5 衬砌裂隙分析

裂隙宽度可以反映衬砌结构的破坏程度，其值可以通过迭代平衡时衬砌单元受损状态下应力数值以及内部钢筋的变形参数近似得出。根据计算结果可知裂隙宽度在考虑黏结滑移的情况下比未考虑黏结滑移的情况小了0.015mm为0.154mm，这说明黏结滑移效用可以阻碍裂隙的进一步发展，降低对衬砌结构的破坏。通过对混凝土的应变数值进一步对比，发现混凝土的拉应变在考虑黏结滑移的情况下比不考虑该作用的情况小了0.12×10-4为0.56×10-4，由此表明考虑黏结滑移可以提高裂隙的单元刚度以及降低裂隙间混凝土结构的平均拉应变，使衬砌结构难以产生新的裂隙。这一结果也与高压水工隧洞中宽而少的裂隙分布特征相一致。

4 结 语

1)钢衬可以承受18%-34%的弹性荷载，各作用点可承受约38m的水头，表明带初始缝隙的钢衬构件可大幅降低对衬砌和围岩的承载压力。

2)衬砌结构受高压作用发展到开裂阶段后，对腰拱处受损最大，并继续向腰拱两端发展，致使严重开裂处的局部接触面出现拉伸破坏。

3) 水头外渗荷载会导致围岩的塑性破坏区进一步增加，且在腰拱衬砌破裂严重处尤其明显，表明内水外渗能够影响围岩的稳定性。

4) 在透水衬砌设计中，围岩会因衬砌结构的受损开裂而承受更大的内水压力，成为衬砌开裂阶段的内水压力主要载体。所以在隧道的建设中要重视岩体的施工质量。

5) 衬砌在考虑黏结滑移时，有张力硬化作用，可以减少裂隙宽度，提高裂隙间构件的刚度，使衬砌结构难以产生新的裂隙，增加结构稳定性。