输水隧洞泡沫混凝土减震层厚度优化计算研究

张迪

（朝阳县水务局，辽宁 朝阳 122000）

0 引言

我国的淡水资源比较丰富，但存在显著的时空分布不均的问题，给水资源价值的有效发挥造成诸多困难，同时也是我国水资源供需矛盾的主因之一。针对这一情况，我国大力推进跨流域调水工程建设，以有效缓解水资源空间分布不均的问题。在长距离调水工程中，长大输水隧洞建设几乎不可避免。在长大输水隧洞建设过程中，复杂的地质环境条件给施工和运行维护带来技术层面的更高要求。

地震是地壳能量迅速释放的过程，其产生的地震波作为能量载体，具有影响范围广、破坏能力强的特点，是地震高发区人类工程建设活动中必须要考虑的重要因素。长期以来，人类的建设活动主要集中于地表，因此，抗震技术的研究也主要针对地表建筑开展，针对地下工程抗震技术的研究不多[1]。

我国位于全球两大主要地震带之间，属于多地震国家，地震断裂带也十分活跃。在长距离输水隧洞建设过程中，往往会穿过地震多发区，输水隧洞一旦在地震中发生破坏，不仅会造成严重的灾害性影响，并且维修十分困难[2]。因此，开展输水隧洞抗震和减震研究具有重要理论意义和工程价值。在水工隧洞抗震设计中，设置减震层是当前最常见和最有效的工程措施。减震层可以有效隔开输水隧洞的衬砌结构和围岩，减小或改变地震波对衬砌结构的作用强度和方式，以达到减小结构动力响应的目的[3]。泡沫混凝土作为常用的隔震层材料，具有施工成本低、施工技术简单的优势[4]。此次研究以具体工程为背景，利用数值模拟的方式探讨泡沫混凝土隔震层厚度对抗震效果的影响，以便为相关理论研究和工程应用提供支持和借鉴。

1 有限元计算模型

1.1 计算模型的构建

此次研究借助ANSYS 大型通用有限元软件进行输水隧洞有限元模型的构建，利用数值模拟的方式对不同隔震层厚度条件下的地震响应特征进行分析[5]。以辽宁省某重点跨流域调水工程输水隧洞为例进行几何模型的构建。该输水隧洞的断面为马蹄型，高度为4.22 m，水平宽度为3.60 m，初期支护为锚喷结构，喷射混凝土的厚度为5 mm，二次衬砌为C40 混凝土，厚度为0.40 m。在几何模型的构建过程中，模型的左右边界均取与轴线距离50.00 m，竖向上至地表、下至基岩。在模型的网格剖分过程中，岩土体和衬砌结构均采用PLANE42 单元进行模拟，隧洞运行中的内水采用FLUID29 单元模拟，水体和衬砌的接触面设置为流固耦合界面。整个模型划分为11 256个网格单元，13 667个节点。有限元模型示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

1.2 边界条件和模型参数

边界条件在有限元分析中十分重要，针对动力响应研究，弹簧-阻尼器边界可以有效模拟弹性恢复能力，不仅可以有效克服粘性边界的低频漂移，同时又能克服透射边界的高频失稳[6]。因此，此次研究中采用弹簧-阻尼器边界。在ANSYS 软件中提供有多种阻尼，其中常用阻尼有瑞利阻尼、粘性阻尼和材料阻尼。鉴于瑞利阻尼在动力分析中应用较多，因此，研究中选择瑞利阻尼[7]。研究中以背景工程的实际情况为基础，结合相关研究成果和工程经验，模型材料物理力学参数见表1。

表1 模型材料物理力学参数

1.3 地震波输入

在动力响应分析过程中，地震波的输入种类和方式会对计算结果产生显著影响。因此，为了保证计算结果的科学性和准确性，必须要科学选择地震波。结合背景工程的实际情况，选取美国1940 年El-Centro 波南北向加速度记录，其峰值加速度为341.7 cm/s2，时间间隔为0.02 s，持续时间30 s[8]。研究中截取其中前20 s 的1 000 个数据记录，其加速度时程曲线如图2 所示，地震输入方式为水平方向一致。

图2 地震波加速度时程曲线

1.4 计算方案

为了研究泡沫混凝土减震层厚度对背景工程输水隧洞地震响应的影响，此次研究中以弹性模量为2.03 GPa 的泡沫混凝土为基准，减震层厚度为0，5，10，15，20，25 和30 cm 等7 种不同厚度的计算方案进行计算，通过对计算结果的对比分析，获得最佳减震层厚度方案。

2 计算结果与分析

2.1 结构位移

利用构建的有限元模型，对不同减震层厚度条件下的隧洞结构位移进行模拟计算，从计算结果中提取出X向、Z向以及XZ向地震作用下衬砌水平和竖向位移的最大值，结果如表2 所示。由表2 可以看出，在X向地震作用下，水平位移和竖向位移的最大值随着减震层厚度的增加并无明显的变化。其中，水平位移呈现出小幅增加的态势，而竖向位移在减震层厚度为15 cm 和20 cm 时最小；在Z向地震作用下，竖向位移和水平位移的变化量不大，但是竖向位移量的整体水平显著大于竖向位移。由此可见，在Z向地震波的作用下，竖向位移在衬砌位移中起到了决定性的作用；在Z向地震波的作用下，竖向位移和水平位移变化不大，各方案的计算结果十分接近，仅从峰值位移值并不能发现明显的变化规律。

表2 衬砌位移最大值计算结果

2.2 加速度

利用构建的有限元模型对不同减震层厚度方案条件下的衬砌结构加速度进行模拟计算，在计算结果中提取8 个关键部位的加速度峰值，结果如表3 所示。从表3 可以看出，除个别点位之外，大部分计算点位的加速度峰值均呈现出类似的变化规律。随着减震层厚度的增加，各点位的加速度峰值呈现出先减小后增大的变化趋势。当减震层厚度为15 cm 时，各个计算点位的加速度峰值相对较小，可以取得相对较好的减震效果。

表3 加速度峰值计算结果

2.3 主应力

利用构建的有限元模型对不同减震层厚度方案条件下的衬砌结构主应力进行模拟计算，在计算结果中提取8 个关键部位的最大主应力最大值，结果如表4 所示。从表4 的计算结果来看，随着减震层厚度的增加，最大主应力峰值也呈现出先减小后增大的变化特点，当减震层厚度为15 cm 时，各地震波方向、各关键部位的最大主应力最大值最小，对提高衬砌结构的抗震性能有利。

表4 最大主应力最大值计算结果

3 结语

设置减震层是改善输水隧洞抗震性能的重要方式和手段，对其进行研究和分析具有重要意义。此次研究以具体工程为依托，利用数值模拟的方式，探讨和分析了泡沫混凝土减震层厚度对输水隧洞衬砌抗震性能的影响。计算结果显示，当减震层厚度为15 cm 时的抗震效果最佳，因此，建议在地震区输水隧洞工程施工设计时采用厚度为15 cm的泡沫混凝土减震层。此次仅针对泡沫混凝土隔震层展开研究，目前可用于减震层的材料较多，后续研究中可以针对不同减震层材料进行对比研究，以进一步提高研究成果的实用价值。