陳進輝,林 華

(云南省滇中引水工程建設(shè)管理局楚雄分局，云南 楚雄 675000)

1 考慮滲流的圍巖和襯砌相互作用

圍巖和襯砌相互作用是一個復(fù)雜的過程，在這個過程中，內(nèi)部水會通過破裂的襯砌和多孔巖體發(fā)生泄漏。這種相互作用符合兼容性和連續(xù)性條件，混凝土襯砌和圍巖之間的充分接觸符合相容性條件，內(nèi)部水壓作用于混凝土襯砌和巖體的機理基于體力理論。在分析輸水隧洞襯砌時，解析解由作為彈性、同質(zhì)和各向同性材料的混凝土襯砌和圍巖進行計算。襯砌開裂前，鋼筋混凝土襯砌的滲透系數(shù)非常小，襯砌中的孔隙水壓力呈對數(shù)分布。

2 輸水隧洞模型

本研究以云南省某大壩的輸水隧洞作為案例研究。利用ABAQUS有限元程序?qū)斔矶催M行了模擬。如圖1所示，假設(shè)隧洞為直徑11 m的圓形，為了模擬地面的無限邊界條件，地面選擇了深度和寬度為110 m的塊體，隧洞長度為1 m。初始條件指定垂直和水平地應(yīng)力分布、孔隙水壓力。使用彈性-完全塑性破壞準則和非關(guān)聯(lián)流動準則來描述假定處于非線性彈塑性框架中的巖體。根據(jù)結(jié)構(gòu)隧洞設(shè)計，隧洞內(nèi)外襯砌表面鋼筋的最小混凝土保護層為5～7 cm。根據(jù)提出的解析解，灌漿巖體區(qū)的半徑取輸水隧洞半徑的兩倍。巖體和混凝土襯砌選用8節(jié)點三線位移和孔隙壓力單元(C3D8P)，加固區(qū)選用2節(jié)點線性桁架單元(T3D2)。逐漸施加襯砌內(nèi)表面的內(nèi)水壓力，以達到最大內(nèi)水壓力和穩(wěn)定狀態(tài)。對于內(nèi)水壓力加載階段，應(yīng)考慮兩個滲透邊界：第一個邊界位于內(nèi)部水壓施加的鋼筋混凝土襯砌內(nèi)表面，第二個邊界位于模型域外部，該邊界等于零，因為假定隧洞處于排水條件[1-6]。鋼筋混凝土硬化過程中的拉伸屈服應(yīng)力是從拉伸試驗結(jié)果中獲得的，如圖2所示。巖體、鋼筋和混凝土襯砌的材料特性如表1所示。

圖1 有限元計算模型

表1 材料力學(xué)參數(shù)

圖2 滲流計算中解析法和數(shù)值法結(jié)果的比較

3 結(jié)果與討論

為了在ABAQUS軟件中模擬鋼筋混凝土襯砌與圍巖之間相互作用，需要使用耦合單元來模擬滲流場和應(yīng)力場特征。通過解析解和數(shù)值解獲得的混凝土襯砌和巖體界面上的滲流量結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，數(shù)值解和解析解之間存在±6%的差異，這表明模型的彈性行為結(jié)果與解析解的結(jié)果吻合良好。圖3顯示了鋼筋混凝土襯砌中由于受損狀態(tài)而產(chǎn)生的裂縫發(fā)展。通過增加內(nèi)水壓力，拉應(yīng)力超過混凝土襯砌的抗拉強度，鋼筋混凝土襯砌在水的作用下出現(xiàn)裂縫。此外，隨著混凝土襯砌中張力裂縫的發(fā)展，襯砌的滲透系數(shù)大大增加，但襯砌中的滲透壓力逐漸降低。拉伸時的等效塑性應(yīng)變與高內(nèi)水壓下混凝土襯砌的破壞狀態(tài)和裂縫發(fā)展有關(guān)[7-10]。

圖3 襯砌張力受水壓的影響

圖4為襯砌的應(yīng)力和滲透系數(shù)隨水壓力變化關(guān)系，鋼筋混凝土襯砌的滲透系數(shù)變化和應(yīng)力是由內(nèi)水壓荷載引起的。當鋼筋混凝土襯砌的滲透系數(shù)增加至1.5×10-8m/s左右后開裂，應(yīng)力變化呈下降趨勢。圖5比較了在3.0 MPa的內(nèi)部水壓下鋼筋布局為Φ16 mm@20 cm、Φ20 mm@30 cm和Φ25 mm@50 cm的混凝土襯砌的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系，鋼筋Φ16 mm@20 cm處的應(yīng)力低于允許值。由于應(yīng)力取決于裂縫開口的程度，混凝土襯砌上的裂縫以微裂縫的形式分布，不會導(dǎo)致隧道大量滲水。當混凝土襯砌開裂時，輸水隧洞的滲流和滲流損失取決于襯砌裂縫和周圍巖體之間的滲透系數(shù)以及通過這些材料的滲透壓力。圖6給出了在相同鋼筋百分比下，不同直徑和間距的襯砌拱內(nèi)滲流分布和隧洞的滲流損失，在2.3 MPa內(nèi)水壓力下，混凝土襯砌中Φ16 mm@20 cm和Φ20 mm@30 cm兩種狀態(tài)下襯砌拱內(nèi)(圖6(a)、圖6(b))的滲流分別為1.38×10-5m/s和2.35×10-5m/s。兩種狀態(tài)隧洞(圖6(c)、圖6(d))的滲流損失也達到1.66×10-6m3/s和2.38×10-6m3/s。由于混凝土開裂前內(nèi)部水壓的變化高達2.3 MPa，隧洞的滲流均勻增加，如圖7所示。由于隧洞上方不存在地下水位，因此，滲流量的分布完全由襯砌和圍巖的滲透系數(shù)控制。

圖4 襯砌的應(yīng)力和滲透系數(shù)隨水壓力變化關(guān)系

圖5 不同直徑和間距鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 在相同鋼筋百分比下，不同直徑和間距的襯砌拱內(nèi)滲流分布和隧洞的滲流損失

圖7 隧洞的內(nèi)部水壓和滲流

4 結(jié) 論

本研究考慮了襯砌-圍巖相互作用下的輸水隧洞滲透特性。模擬了巖體和混凝土襯砌均勻、各向同性和彈性特性的有限元模型。探索了滲流作用對鋼筋混凝土襯砌和圍巖的影響，分析了孔隙流體應(yīng)力特征。結(jié)果表明，鋼筋混凝土襯砌和巖體上的高內(nèi)水壓力對滲透系數(shù)有顯著影響，混凝土襯砌中鋼筋的合理分布有助于減少塑性應(yīng)變和滲流。