水工輸水隧洞復(fù)合襯砌變形分析

這是水庫(kù)建設(shè)的重要組成部分之一。它的結(jié)構(gòu)通常由巖石和混凝土兩種材料組成。在外部負(fù)荷的作用下，這兩種材料通常表現(xiàn)出明顯的非線性性質(zhì)。隧洞在外荷載的作用下變位一般較小，不存在大應(yīng)變產(chǎn)生的非線性問(wèn)題。在水工隧洞的設(shè)計(jì)中，大量的非線性問(wèn)題是由材料的塑性等性質(zhì)產(chǎn)生的，特別是某些復(fù)雜巖石材料，其非線性特性更加明顯研究水工隧洞的非線性問(wèn)題，對(duì)隧洞的安全至關(guān)重要。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水工隧洞的非線性問(wèn)題研究較多：高百超基于前人的研究經(jīng)驗(yàn)，本文以云南省臨滄市某無(wú)壓輸水隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，利用有限元軟件ANSYS，分別對(duì)比初始地應(yīng)力及考慮襯砌與圍巖聯(lián)合承載作用下的模擬成果，對(duì)復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性有限元分析，通過(guò)分析研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果并從中得到一些有用結(jié)論，以期對(duì)同類型的輸水隧洞設(shè)計(jì)施工提供一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。1單元生死軟件中的生死技術(shù)在數(shù)值模擬過(guò)程中，如果模型中添加或刪除材料，模型中相應(yīng)的單元就存在或消失，把這種單元的存在與消失的情形定義為單元生死2錨點(diǎn)及圍巖錨固結(jié)構(gòu)本項(xiàng)目中輸水隧洞有限元計(jì)算的主要參數(shù)如下：隧洞為圓拱直墻型無(wú)壓隧洞，洞跨3.6m，洞高3.2，拱高1.8m，埋深在20～100m之間，隧洞圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)；初期支護(hù)采用0.2m厚C20混凝土錨噴支護(hù)，錨桿為Φ25，長(zhǎng)2m；隧洞二次襯砌為C20鋼筋混凝土，厚度為0.3m，沿隧洞斷面布設(shè)；圍巖及混凝土材料采用Druck-Prager模型；Ⅳ類圍巖隧洞襯砌結(jié)構(gòu)如圖1所示。相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。3三元模型的構(gòu)建3.1錨桿錨固結(jié)構(gòu)問(wèn)題本次計(jì)算，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)模型進(jìn)行以下假設(shè)和簡(jiǎn)化處理：1）假設(shè)圍巖是各向同性的理想彈塑性材料。2）隧洞及圍巖的受力和變形是平面應(yīng)變問(wèn)題。3）巖體初始應(yīng)力場(chǎng)不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮其自重應(yīng)力。4）將初期錨噴支護(hù)范圍等效為一個(gè)錨噴支護(hù)圍巖加固圈。5）不考慮圍巖與錨桿、圍巖與襯砌、襯砌與錨桿的接觸問(wèn)題。6）不考慮地震荷載、溫度荷載和施工期荷載的影響。3.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬及求解1）在ANSYS前處理模塊中設(shè)置材料屬性和單元屬性。分別采用PLANE42單元、BEAM3單元模擬圍巖和襯砌；在材料屬性中輸入圍巖、鋼筋混凝土、錨噴支護(hù)加固圈的彈性模量、泊松比、密度等；為了顯示材料的非線性，還要輸入圍巖和混凝土的粘聚力、內(nèi)摩擦角及膨脹角。2）在前處理模塊中建立模型。在模型的左右邊界節(jié)點(diǎn)施加X(jué)方向約束，在下邊界施加Y方向約束；在整個(gè)模型范圍施加重力荷載。3）在加載求解模塊中設(shè)定求解條件，打開(kāi)大位移開(kāi)關(guān)等，并設(shè)定荷載步分步進(jìn)行計(jì)算。首先計(jì)算只考慮自重的初始地應(yīng)力，然后計(jì)算開(kāi)挖支護(hù)后模型變形及內(nèi)力。4）在后處理模塊中分別查看step-1和step-2的計(jì)算結(jié)果。3.3數(shù)值模型的建立本次計(jì)算模型為圓拱直墻城門洞型無(wú)壓水工隧洞，洞高3.2m，洞跨3.6m，拱高1.8m；以頂拱圓心為原點(diǎn)建立有限元模型；計(jì)算范圍取隧洞四周5倍洞跨，40m×40m；初期支護(hù)為0.2m厚C20混凝土錨噴支護(hù)，錨桿為Φ25；二次襯砌采用0.3m厚C20鋼筋混凝土襯砌。具體情況如圖2、3所示。4x、y方向位移分布分別對(duì)比初始地應(yīng)力及隧洞開(kāi)挖襯砌模擬成果，在模擬中，對(duì)圍巖的初始地應(yīng)力進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，巖體初始應(yīng)力場(chǎng)僅考慮自重應(yīng)力，而不考慮圍巖構(gòu)造應(yīng)力。其中，圖4、圖6分別為圍巖在僅考慮初始地應(yīng)力時(shí)的X、Y方向位移云圖，圖8為總位移分布云圖，圖5、圖7、圖9為隧洞開(kāi)挖襯砌后X、Y方向位移分布及總位移云圖。通過(guò)上圖可以看出：在初始地應(yīng)力作用下，圍巖X方向初始最大位移在0.013mm左右，Y方向初始最大位移在4mm左右，總的位移值為4mm；開(kāi)挖襯砌后X方向的最大位移值為0.0442mm,Y方向的最大位移值為4.02mm，總的位移值為4.02mm。對(duì)比初始地應(yīng)力作用下和開(kāi)挖支護(hù)后地層變形圖，可以看出：X方向在僅考慮初始地應(yīng)力及考慮襯砌與圍巖聯(lián)合承載作用下的模擬成果應(yīng)變值整體較小，開(kāi)挖前和開(kāi)挖支護(hù)后最大位移量相差0.0312mm，相差值不大，說(shuō)明開(kāi)挖襯砌對(duì)X方向的變形影響較小。由圖6～9可知，Y方向的最大位移值及總位移最大值均出現(xiàn)在拱圈附近。Y方向在僅考慮初始地應(yīng)力及考慮襯砌與圍巖聯(lián)合承載作用下的模擬成果應(yīng)變值整體較X方向大些，開(kāi)挖襯砌對(duì)Y方向的變形影響較X方向大些，開(kāi)挖前后最大豎向位移都在拱圈附近。5拱圈變形預(yù)防圓拱直墻隧洞變形以豎向變形為主，最大豎向位移主要集中在拱圈，因?yàn)楣叭κ且r砌中主要承擔(dān)垂直圍巖壓力的部分。為了預(yù)防拱圈部分出現(xiàn)較大變形，在施工過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行加厚，從而限制襯砌出現(xiàn)過(guò)大豎向變形。直墻以水平方向的圍巖壓