基于数值模拟的引水隧洞衬砌结构破坏特征分析

毛晓超

(吉安市水利水电规划设计院，江西 吉安 343000)

1 工程概况

某引水隧洞地貌类型为侵蚀堆积一级阶地地貌，围岩等级主要为Ⅴ、Ⅳ2、Ⅳ1，地形较平坦；隧洞范围主要位于微风化地层中，覆土厚度约为35～45 m。

该引水隧洞采用错缝拼装，衬砌环由6块C55混凝土管片通过12根M24弯螺栓拼装而成，管片厚度300 mm，隧道外径6000 mm，内径5400 mm，环向宽度1.2 m。

地下水以风化裂隙水及构造裂隙水为主，主要以层状、带状赋存于岩石的强风化带、中等风化～微风化的节理发育带及构造破碎带中，由于裂隙发育不均匀，其富水性不均匀，在局部构造发育带处地下水赋存较丰富，且具一定的承压性，在洞室开挖过程中会表现为线状水流或突涌的现象[1-5]。

2 材料与方法

以引水隧洞的管片衬砌结构为研究对象，建立有限元模型，管片衬砌结构的材料相关参数如表1所示，其有限元模型及监测点如图1所示。

图1 引水隧洞模型

表1 管片衬砌结构的材料相关参数

3 结果分析

为验证采用有限元软件对引水隧洞管片衬砌结构进行分析的准确性，开展衬砌接头荷载试验，对比孔深为15 cm时的管片衬砌结构接头张开量，内水压-接头张开变化量见图2。

图2 内水压-接头张开变化量曲线

不同位置的接头张开量变化趋势具有一定的差异性，上部接缝的接缝张开变化量与其内水压间呈正相关关系，随着内水压的增大，其接缝张开量逐渐增大；下部接缝的接缝张开变化量与其内水压间呈负相关关系，随着内水压的增大，接缝张开量逐渐减小；说明在内水压作用下，管片衬砌结构的上部接头呈张开状态，下部接头呈压缩状态。当内水压较小时，管片衬砌结构的接缝张开变化量变化趋势较为平缓，随着内水压的增大，上升、下降趋势显著，说明在加载的前期，管片衬砌结构的接缝张开量处于零增长阶段，随着加载的进行，管片衬砌结构处于变形阶段。不同接缝位置接头张开量变化量的试验值与模拟值差距较小，其中，上部接缝的差距较大，当内水压为0.17 MPa时，其差距最大，其值为0.24 mm，说明采用有限元模拟对管片衬砌结构进行分析的准确性较高。

为分析引水隧洞管片衬砌结构的受力特性，分析其管片、内衬及钢套筒所受水压力情况，内水压-管片分担内水压比例曲线如图3所示。

图3 内水压-管片分担内水压比例曲线

由图3可知，不同截面的管片分担内水压比例变化趋势具有一致性，其内水压与管片承担的水压力比例呈正相关关系，随着内水压的增大，管片分担内水压比例逐渐增大；当内水压为0.1～0.6 MPa时，管片分担内水压比例缓慢增长，当内水压为0.6～0.7 MPa时，管片分担内水压比例增长趋势显著，不同截面的管片分担内水压比例增长量在10 %左右，当内水压>0.7 MPa时，管片分担内水压比例增长趋势逐渐趋于平缓。

同一内水压下，不同截面的管片分担内水压比例具有一定的差异性，其中，标准块B2主截面的不同截面的管片分担内水压比例最大，其最大管片分担内水压比例为51.6 %；封顶块F主截面的管片分担内水压比例最小，其最大管片分担内水压比例为44.7 %。综合以上分析可得，当内水压较小时，管片分担内水压较小，随着内水压的增大，衬砌管片结构分担更多的内水压，且即使内水压持续增大，内水压的分担比例仍保持稳定。

内水压-自密实混凝土内衬分担内水压比例曲线如图4所示。由图4可知，混凝土内衬分担内水压比例与内水压间呈负相关关系，随着内水压的增大，混凝土内衬分担内水压比例逐渐减小，当内水压为0.6～0.7 MPa时，混凝土内衬分担内水压比例下降趋势显著，最大差值为16 %，混凝土内衬分担内水压比例变化趋势较为平缓，随内水压的增大，下降趋势较为平缓，说明当内水压较小时，混凝土内衬对内水压的分担比例较大，结合图2可得，随着内水压的增大，混凝土内衬对内水压的分担逐渐转移至管片。在同一内水压下，不同截面位置的混凝土内衬分担内水压比例具有一定的差异性，其中，封顶块F主截面的混凝土内衬分担内水压比例最大；当内水压<0.6 MPa时，标准块B3主截面的混凝土内衬分担内水压比例最小，当内水压>0.6 MPa时，标准块B2主截面的混凝土内衬分担内水压比例最小；说明混凝土内衬的内水压主要由封顶块F承担。

图4 内水压-自密实混凝土内衬分担内水压比例曲线

内水压-钢套筒分担内水压比例曲线如图5所示。由图5可知，随着内水压的增大，钢套筒分担内水压比例呈先下降、后上升的趋势，当内水压>0.6 MPa时，内水压与钢套筒分担内水压比例呈正相关关系，当内水压>0.7 MPa时，钢套筒分担内水压比例增长趋势较为平缓；说明当内水压较小时，钢套筒分担的内水压力较小，随着内水压的增大，钢套筒分担的内水压力逐渐增大。当内水压<0.6 MPa时，封顶块F主截面分担的内水压比例最大，标准块B2主截面分担的内水压比例最小；当内水压>0.6 MPa时，邻接块L1主截面分担的内水压比例最大，标准块B3主截面分担的内水压比例最小；说明随着内水压的增大，钢套筒分担内水压逐渐由封顶块F主截面转移到邻接块L1主截面。对比图2、图3可得，管片衬砌结构受水压力的变化规律总体表现为：当内水压较小时，衬砌结构处于弹性阶段，此时结构的水压力主要由混凝土内衬承担，其次为钢套筒，再次为管片；随着内水压的增大，混凝土内衬所承担的水压力逐渐减小，衬砌结构处于开裂破坏阶段，此时内水压逐渐由混凝土内衬转移至管片及钢套筒，且管片承担的内水压较大，随着内水压的持续增大，混凝土内衬承担内水压的比例持续减小，钢套筒承担的内水压比例逐渐增大，管片承担的内水压变化趋势较为平缓，此时钢套筒与管片对于内水压承担的比例较为接近，管片与钢套筒联合受力，混凝土内衬承担的内水压较小。

图5 内水压-钢套筒分担内水压比例曲线

当引水隧洞管片衬砌结构受到内水压作用时，管片及混凝土内衬发生开裂，为分析衬砌结构开裂变形与其所受内水压间的关系，作内水压-混凝土开裂区域百分比曲线，如图6所示。由图6可知，内水压与混凝土开裂区域百分比呈正相关关系，随着内水压的增大，管片与混凝土内衬混凝土开裂区域百分比逐渐增大；当内水压<0.5 MPa时，管片与混凝土内衬混凝土开裂区域百分比变化趋势较为平缓，且管片的开裂区比例大于混凝土内衬的开裂区比例，随着内水压的持续增大，管片与混凝土内衬混凝土的开裂区域百分比增长趋势显著，当内水压>0.6 MPa时，混凝土内衬的开裂区域比例大于管片的开裂比例，说明当内水压较小时，引水隧洞衬砌结构的开裂以管片开裂为主，随着内水压的增大，开裂以混凝土内衬为主。

图6 内水压-混凝土开裂区域百分比曲线

4 结 论

(1)不同接缝位置接头张开量变化量的试验值与模拟值差距较小，其中，上部接缝的差距较大，当内水压为0.17 MPa时，其差距最大，其值为0.24 mm。

(2)内水压与管片承担的水压力比例呈正相关关系，不同截面的管片分担内水压比例增长量在10 %左右，当内水压>0.7 MPa时，管片分担内水压比例增长趋势逐渐趋于平缓。

(3)不同截面位置的混凝土内衬分担内水压比例具有一定的差异性，其中，封顶块F主截面的混凝土内衬分担内水压比例最大；当内水压<0.6 MPa时，标准块B3主截面的混凝土内衬分担内水压比例最小，当内水压>0.6 MPa时，标准块B2主截面的混凝土内衬分担内水压比例最小。