某水库引水隧洞围岩稳定性研究

何小龙，吕东阳

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉，430010)

1 引言

引水隧洞作为水利工程中重要的结构，往往建于高山峡谷地区。同时，水工隧洞埋深较大，且较大的内外水压力作用于隧洞衬砌，导致隧洞施工难度大。因此，搞清引水隧洞在内外水压下的受力变形十分重要。

引水隧洞的施工问题已经成为当前的研究热点之一，越来越多的科研工作者针对该问题开展了一系列的研究，并获得了宝贵的成果。钟登华等[1]基于某输水隧洞工程，利用有限元软件建立三维模型，研究了深埋输水隧洞的TBM施工过程，总结了施工过程中衬砌管片的受力变形规律；王美斋等[2]利用有限元软件，建立输水隧洞管片衬砌模型，研究了某TBM输水隧洞的受力变形，对比了不同衬砌管片的型式下隧洞的受力变形影响，从而确定了适用于该工程的最合理管片型式；石怡安等[3]同样基于输水隧洞工程，利用数值手段对比了不同管片衬砌的影响，并研究了衬砌尺寸，衬砌参数等敏感因素的影响规律；王克忠等[4]基于某实际引水隧洞工程，利用数值手段，研究了外水压力下引水隧洞管片衬砌的受力变形规律。系统分析了围岩渗透性对隧洞围岩裂隙的影响；张厚美[5]利用有限元软件，建立圆形引水隧洞模型，研究了装配式衬砌接头刚度模型；赵春荣等[6]利用数值手段，分析了高水头荷载作用下引水隧洞管片衬砌的受力变形，系统研究了不同水头、不同围岩参数等参数的影响规律。

本文以某水库引水隧洞工程为研究对象，利用有限元软件建立三维数值模型，分析了外水压力作用下引水隧洞的受力变形。

2 工程概况

某水库引水隧洞进口在距离水库大坝约450m处接取水口竖井，出口接预埋管道。隧洞采用钻爆法和TBM工法施工，进口桩号K0+000，出口桩号K27+425，隧洞总长27425m，进口设计高程228.000m，出口设计高程214.288m，纵坡为-0.05%，采用圆形断面，直径为5m。由于引水隧洞较长，为了满足工期、施工通风和运营期间检修要求，根据地形地貌及地质条件设施工支洞5条，兼做运营期间检修通道。

3 有限元模型的建立

检修放空引水隧道时，主要是外水压力作用于管片衬砌，为了研究外水压力下管片衬砌的变形与受力，管片衬砌模型如图1所示。完成隧道施工后，及时安装衬砌并回填豆砾。管片衬砌使用强度等级为C50的预制混凝土，厚度为350mm。围岩本构选择摩尔-库伦模型。材料参数如下：密度为2650kg/m3、弹性模量为10.5GPa、泊松比为0.23、内摩擦角为49°、粘聚力为1.1MPa。选择八节点等参单元来模拟豆砾石和衬砌，本构模型均选择弹性模型。用杆单元模拟螺栓、本构为理想弹塑性模型。混凝土C50的轴心抗压和轴心抗拉分别为23.1MPa和1.89MPa、弹性模量为34.5GPa、泊松比为0.167；灌浆前豆砾石的弹性模量为0.5GPa、泊松比为0.3；灌浆后豆砾石的弹性模量为3GPa、泊松比为0.27；螺栓的弹性模量为206GPa、泊松比为0.3。

图1 衬砌模型

4 数值结果分析

4.1 管片变形与应力

图2给出了外水压力作用时隧洞衬砌的径向位移和环向应力云图。图2(a)中可以看出，隧洞衬砌在外水压力作用下呈收缩变形趋势，衬砌变形从隧洞拱顶向隧洞拱底逐步变小，隧洞的变形分布较均匀，且接缝的存在基本不影响隧洞管片。进一步观察可知，隧洞衬砌变形峰值发生在拱顶处，峰值约为3.2mm，衬砌最小变形发生在拱腰下部位置，变形约为0.3mm。图2(b)中可以看出，隧洞衬砌应力以压应力为主，管片内侧压应力大于管片外侧压应力，隧洞拱底处衬砌内侧的管片接头处有应力集中的现象，衬砌压应力的峰值约为25.2MPa。

图3给出了衬砌环向应力随环向角度的变化曲线。如图所示，当作用外水压力时，除隧洞拱底位置，衬砌压应力从隧洞拱顶向隧洞拱底逐渐增大，但在接头位置衬砌环向压应力略有减小。

图3 衬砌环向应力随环向角度的变化曲线

图4给出了外水压力作用时隧洞衬砌的第一主应力和第三主应力云图。从图中可以看出，在环CQ-1和CQ-3外侧接头位置，衬砌管片拉应力出现峰值，峰值约为2.3MPa。隧洞拱底处衬砌内侧的管片接头位置，衬砌管片压应力出现峰值，峰值约为25.6MPa。可见，衬砌管片在该部位易被压碎。

(a)径向位移

4.2 接缝压力与环向螺栓应力

表1列出了不同水头下CQ-2环接缝平均压力。从表中可以看出，当水头为0m时，各接缝总平均压力为0.11MPa；当水头提升至50m、100m、200m时，各接缝总平均压力分别增长至4.22MPa、8.29MPa、16.37MPa。可见，各接缝平均压力随水头的提升而增大。由于模型的对称性，接缝JF1和JF6、接缝JF2和JF5、接缝JF3和JF4的平均压力相等。当水头相同时，接缝JF1和JF6的平均压力最大、接缝JF2和JF5平均压力次之、接缝JF3和JF4平均压力最小。进一步观察表1可以看得出，各接缝平均压力随水头的提升呈线性增大。

表1 不同水头下CQ-2环接缝平均压力

图5给出了衬砌CQ-2环接缝的压力。从图中可以看出，各接触近接衬砌内侧部位的压力比近接衬砌外侧部位的压力更大。隧洞拱顶接触位置沿着纵向中间部位的压力小，反之前后端位置压力更大。进一步观察CQ-2螺栓压力表(表2)可知，环向螺栓压力主要表现为压应力，压应力范围从-80MPa到-40MPa，接缝JF2和JF5位置的前后环向螺栓压力基本相等，但是其余接缝的前后螺栓应力相差较大。

图5 衬砌CQ-2环接缝的压力

表2 衬砌CQ-2环环向螺栓应力

4.3 局部接缝无环向螺栓对衬砌结构受力影响

研究JF1、JF2、JF3位置处环向螺栓损坏对隧洞衬砌的影响。

4.3.1 管片变形与应力分析

表3列出了衬砌管片发生径向位移峰值的位置和对应的峰值大小。图6给出了JF1、JF2、JF3位置处环向螺栓损坏和环向螺栓全部正常时的环向应力云图。从表3可以看出，与环向螺栓全部处于正常状态相比，JF1、JF2、JF3位置处环向螺栓损坏时，衬砌管片径向位移峰值与其发生的位置与正常状态下的情况一致。从图6可以看出，JF1、JF2、JF3位置处环向螺栓损坏下衬砌管片环向应力分布规律也与正常状态下的应力分布规律基本一致。可见，JF1、JF2、JF3位置处环向螺栓的损坏对衬砌管片的影响有限。

表3 衬砌管片径向位移峰值及对应的位置

(a)JF1螺栓损坏

4.3.2 接缝压力分析

表4给出了CQ-2环接缝平均压力。从表中可以看出，与环向螺栓全部正常状态相比，当JF1处环向螺栓损坏时，JF1处平均压力为16.52MPa，较正常状态增长了0.09MPa，增长约0.54%；其他五个接缝位置的压力与正常状态下的压力一样大。当JF2处环向螺栓损坏时，JF2处平均压力为16.48MPa，较正常状态增长了0.08MPa，增长约0.49%；其他五个接缝位置的压力与正常状态下的压力一样大。当JF3处环向螺栓损坏时，JF3处平均压力为16.32MPa，较正常状态增长了0.1MPa，增长约0.62%；其他五个接缝位置的压力与正常状态下的压力一样大。

表4 CQ-2环接缝平均压力

5 结论

本文以某水库引水隧洞工程为研究对象，利用有限元软件建立三维数值模型，分析了外水压力作用下引水隧洞的受力变形。研究主要得到以下结论：外水压力作用于引水隧洞时，隧洞衬砌管片呈现出向内收缩的变形趋势。由于整个衬砌受外水压力作用，衬砌管片内部环向压力大于外部环向压力，并且隧洞拱底处衬砌接头表现出应力集中的现象。衬砌管片接缝位置主要受压，且压力分布呈不均匀状态，隧洞拱底和拱腰处衬砌接缝外侧压力小于内侧压力，隧洞拱顶处衬砌接缝沿着纵向中部压力小于前后端压力。环向螺栓主要受压，同一个接缝处前后螺栓受力不一样大。当隧洞受外水压力时，接缝处有无螺栓对衬砌管片的受力变形基本无影响，仅在无螺栓的接缝位置有影响。隧洞拱底处衬砌内侧的管片接头位置，衬砌管片压应力出现峰值，衬砌管片在该部位易被压碎。