基于仿真分析的引水隧洞衬砌裂缝发生规律研究

张凤达

(佛山市南海区大沥水利所,广东 佛山 528231)

0 引 言

在大规模输调水工程中,长时间服役下的引水隧洞会产生一系列的病害,对隧洞的使用寿命造成威胁。许多学者通过现场实时监测数据或采用仿真模拟的方式,对隧洞的衬砌病害以及隧洞的安全性评估开展了相关研究。谢志伟等[1]通过监测已服役18年的某隧洞表面裂缝、混凝土应变以及地下水水质分等,获得了衬砌结构变形的主要影响因素。保纯志[2]通过使用回归分析以及数据统计的方式,针对洞壁裂缝开展了研究,并获得了裂缝的变化规律以及盘道岭隧洞围岩的稳定性情况。樊立博[3]基于某隧洞运行期间的病害数据,采用GSA-PP的算法,对衬砌的健康情况进行了评估。赵晓红等[4]采用Flac开展了数值仿真模拟研究,探讨了隧洞衬砌结构的安全性。刘幸等[5-6]通过非线性有限元法,针对隧洞的衬砌结构开展了数值计算,同样对衬砌结构的安全性进行了评估。

基于以上成果,本文以服役超20年的某隧洞为例,采用现场实测数据与三维有限元分析相结合的方式,对隧洞衬砌裂缝情况进行分析研究。研究结果可为长期服役下的隧洞裂缝防治提供参考。

1 工程概况

某水源工程引水隧洞长约3 700m,水位深度约4.0m,埋深14～119m。典型断面的衬砌结构见图1;围岩类别的隧洞衬砌结构相关参数见表1。

2 裂缝情况统计

借助特种设备,对隧洞全线的裂缝情况进行统计。统计内容包括外观的缺陷,裂缝的数量、长度、宽度等情况,损伤状态如脱落、冲蚀等情况,点、线、面的渗透情况,以及变形或位移等情况。此外,还进行了专项检测,检测内容包括混凝土的弹性模量、抗压轻度以及地下水的水质等。为了便于对裂缝的密集程度进行表征,引入“条/m”表征裂缝密度,即每米隧洞平均下来有多少条裂缝。其中,根据围岩类型对裂纹密度的统计结果见表2。

图1 不同典型断面的隧洞衬砌结构示意图

表1 不同围岩类别的隧洞衬砌结构相关参数

表2 隧洞裂纹密度情况统计

图2为不同围岩下的裂缝密度。结合表2对该隧洞运行过程中的裂缝密度的数据统计,隧洞最多的裂缝类型为衬砌裂缝,总的裂缝数目为373条;裂缝密度并不会因围岩类型越好而降低。由图2可知,Ⅱ类围岩裂缝密度最高,占比15%;Ⅴ类围岩的密度最低,占比7%;Ⅲ类和Ⅳ类围岩的裂缝密度分别为11%和12%。

3 仿真模拟介绍及参数设置

采用Flac有限元分析软件开展仿真模拟,进一步探究该隧洞裂纹密度差异性的具体原因。在进行有限元仿真建模中,基于摩尔-库伦模型,以地质埋深高度为顶部,且采用自由边界的条件;径向与底部围岩取5倍洞径以上的范围,且采用法向位移约束作为边界条件。采用六面体单元剖分,其中涉及的4种模型参数见表3。

图2 不同围岩类别下的裂缝密度

表3 模型参数设置

外压水力的计算公式如下:

Pe=βeγωHe

(1)

式中:pe为作用于衬砌表面的外压水力,kN/m2;βe为折减系数;γω为水的容重,取值9.8 kN/m3;He为地下水位线至隧洞中心的作用水头,m。

本次研究共对两种工况开展了仿真模拟,见表4。

表4 模拟工况设置

4 仿真模拟结果分析

4.1 工程的初始地应力场分析

根据统计的现场数据表明,围岩的变形特性呈现长久性。通过进一步Flac有限元分析模拟,得到初始地应力场分布情况,见图3。

图3 不同围岩类别下的地应力场与裂缝密度

由图3可知,4类围岩的地应力场分布为0.6～2.5MPa。其中,Ⅱ类围岩的地应力场值最大,约2.5MPa;埋深最小的Ⅴ类围岩初始地应力场最小,约0.6MPa。而裂缝的密度会随着初始地应力场的减小而减小,也即初始地应力场越大,裂缝的密度也就越大,反映了衬砌状态也就越差;对于初始地应力场最小的Ⅴ类围岩,其裂缝密度也最小,约8%,相较于Ⅱ类围岩的25%,裂缝密度降低17%。

4.2 衬砌厚度对应力的影响分析

针对衬砌厚度对最大主拉应力造成的影响进行分析,以工况1为例,不同衬砌厚度影响下的最大主拉应力和裂缝密度变化见图4。

图4 不同衬砌厚度影响下的最大主拉应力和裂缝密度变化(以工况1为例)

由图4可知,工况1中最大主拉应力呈下降趋势。其中,Ⅱ类围岩(对应25cm厚衬砌)的最大主拉应力最大,约0.74MPa;Ⅴ类围岩(对应40cm厚衬砌)的最大主拉应力最小,约0.46 MPa,相较于Ⅱ类围岩下降约38%;Ⅲ类围岩(对应30cm厚衬砌)和Ⅳ类围岩(对应35cm厚衬砌)的最大主拉应力几乎持平,为0.68 MPa。由此可以得出,最大主拉应力与衬砌的厚度呈负相关的关系,衬砌厚度越大,最大主拉应力越小,对应的裂缝密度也越小[7]。

4.3 外水压力对裂缝的影响分析

针对外水压力对裂缝的影响进行研究,通过对工况1和工况2进行仿真模拟分析,结果见图5。

图5为考虑外水压力与否造成的最大主拉应力与垂向位移变化。由图5可知,当不考虑外水压力时,4类围岩衬砌所受到的最大主拉应力均有明显下降,最大垂向位移也有所下降。其中,作用于Ⅲ类围岩衬砌上的最大主拉应力下降最大,约0.11MPa,而Ⅱ类围岩的最大垂向位移相较于工况1降低最多,约0.24cm。由此可以看出,外水压力会影响衬砌的受力,进而发生垂向位移,而外水压力的增大也会导致衬砌受力的增大,促进了衬砌裂缝的形成。因此,外水压力也是造成衬砌裂缝形成的一个不可忽略的因素。

图5 外水压力造成的最大主拉应力与垂向位移对比

5 结 论

为了研究隧洞衬砌结构裂缝的发生规律,采用现场实测的方法,对隧洞衬砌结构裂缝的分布规律进行了分析。结论如下:

1)通过现场裂缝情况统计,隧洞多裂缝类型为衬砌裂缝;不同围岩下的裂缝密度呈现不同的分布情况,裂缝密度不会因围岩结构好而降低。

2)裂缝密度会随着初始地应力场的减小而减小。对于初始地应力场最小的围岩,裂缝密度最小;初始地应力场最大的围岩,裂缝密度最大。

3)最大主拉应力与衬砌的厚度呈负相关的关系,衬砌的厚度越大,最大主拉应力越小,裂缝密度越小;外水压力会影响衬砌的受力,外水压力的增大也会导致衬砌受力的增大,促进衬砌裂缝的形成;外水压力是造成衬砌裂缝形成的重要因素。