余 勇

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

随着社会经济的发展，迎来了水利工程和交通运输等基础工程建设的高峰期，引水隧洞的稳定性在很大程度上影响经营效益和工程建设的投资，对工程修建的可行性决策起到控制作用[1- 2]。因此，水电站引水隧洞支护结构稳定性研究逐渐成为工程科技界关注的热点。国内外学者对于支护结构稳定性进行了大量研究，丁佳峰等人[3]研究了隔热材料对支护结构稳定性的影响，提出了初期支护+隔热层+二次衬砌的支护方式，但未进行具体研究。王排排[4]利用物理模型试验研究了隧洞支护结构的受力特性，考虑了地热灾害和埋深对隧洞的影响。林建东等人[5]对隧道隔热技术进行了研究，对所需的制冷功率和不同材料的隔热效果进行了试算。本文以哈德布特水电站引水隧洞工程为研究对象，对工程建设期和运行期支护结构稳定性进行了系统研究，分别计算不同监测点的安全系数、结构位移和等效应力，对水电站引水隧洞工程建设提供理论指导，有着重要的现实意义。

1 工程概况及模型建立

1.1 工程概况

哈德布特水电站位于额尔齐斯河上游干流河段，是一座长隧洞高水头引水式电站，引水枢纽总库容170万m3，最大坝高44.7m，引水流量78.6m3/s，额定水头311.49m，为小(1)型工程。隧洞地质情况复杂，从引水隧洞桩号Y7+010开始出现高温地热灾害，洞内平均温度达51℃，而冬季水温仅为6℃，因此支护结构两侧温差较大，且该洞段属于高地应力地区，存在较大的初始地应力。

1.2 热-固耦合分析模型

由热力学理论可知，物体传热方式分别是热对流、热传导和热辐射，而支护结构与围岩之间的传热方式为热传导，其热传导方程为[6- 7]：

(1)

式中，W—物体热源强度；ρ—物体的密度，kg/m3；c—物体的比热容，J/(kg·℃)；λ—物体的导热系数，W/(m·℃)；T=T(x，y，z，t)。

施工过程通过泵送混凝土，忽略水泥水化热所释放的热量，边界条件和能量平衡方程为[8]：

(2)

[K]{T}={Q}

(3)

式中，λs和λc—不同材料的导热系数；Tc和Ts—不同材料接触面的温度；{Q}—节点热流率向量；{T}—节点温度向量；[K]—系数矩阵。

脆性材料的强度准则包括Drucker-Prager强度准则、摩尔-库仑强度理论、von Mises强度理论、Tresca强度准则和最大拉应力强度准则等[9]。本文采用摩尔-库仑强度理论对支护结构的稳定性进行分析，结构安全系数和破坏表达式如下：

表1 材料参数

(4)

|τ|=c-σtanφ

(5)

式中，Sc—材料的抗压应力极限；St—分别为材料的抗拉应力极限；σ1—各个节点上第一主应力；σ3—各个节点上第三主应力。

1.3 计算参数

通过类似工程及本工程的实际情况，确定模型中的力学参数见表1。

2 建设期支护结构稳定性分析

2.1 衬砌厚度对支护结构稳定性的影响

不同衬砌厚度条件下，衬砌地面最大应力和混凝土衬砌失稳比变化曲线，分别如图1和图2所示。可以看出，随着衬砌厚度的增加，衬砌地面最大应力为先增大后趋于平稳，而失稳比先减小后增大，即单纯增加衬砌厚度，不能有效提高衬砌的稳定性。当衬砌厚度为0.27m时，等效应力稳定在13.31MPa左右，其失稳比最小，支护结构的稳定性最好。

图1 衬砌地面最大应力变化

图2 混凝土衬砌失稳比

2.2 衬砌厚度对地震反应的影响分析

工程区处于地震带和地层断裂带交汇处，衬砌的耦合情况较多、受力情况比较复杂，因此研究不同衬砌厚度对地震的响应有重要的现实意义。为便于分析，隧洞衬砌结构的关键部位设置了8个监测点，如图3、图4所示。可以看出，随着衬砌厚度的增加，支护结构的地震响应位移不断增大，衬砌厚度每增加0.05m，支护结构的响应位移涨幅约为11.10%。衬砌厚度为0.52m时，在地震作用下支护结构发生了明显的位移响应，平均位移为14.84mm。表明支护结构的地震位移响应与衬砌厚度基本成正比例关系，但衬砌厚度较大时，支护结构有可能与地震发生较大响应。

图3 监测点布设示意图

图4 不同衬砌厚度支护结构的地震位移响应

3 运行期支护结构稳定性分析

在无隔热层和有隔热层条件下，选取各监测点的安全系数、位移以及最大主应力，作为评价衬砌稳定性的指标，对衬砌结构的稳定性进行研究。支护结构及隧洞的断面图，如图5所示。

3.1 结构应力对比分析

各监测点一期混凝土的最大主应力分布如图6所示。可以看出，无隔热层和有隔热层两种条件下，一期混凝土的应力分布趋势基本一致。不设隔热层时，支护结构的最小应力均出现在底脚，即3号和5号测点，应力值分别为4.79MPa和4.98MPa；支护结构的最大应力均出现在拱腰，即2号和6号测点，应力值分别为25.21MPa和25.60MPa。设置隔热层后各测点应力平均减小约44.99%，其中最小应力分别减小为2.08MPa和1.69MPa，最大应力分别减小为15.14MPa和14.56MPa。

图6 一期混凝土最大主应力

各监测点二期混凝土的最大主应力分布如图7所示。可以看出，无隔热层和有隔热层两种条件下，二期混凝土的应力分布趋势基本相同，最小应力出现在拱顶，应力值约为8.08MPa，最大应力出现在拱腰，约为22.50MPa。

图7 二期混凝土最大主应力

上述结果表明，隔热层的设置能有效改善一期混凝土的受力情况，但对二期混凝土的受力分布影响甚微。无隔热层时一期混凝土存在较大的温度梯度，温度应力较大，设置隔热层后，明显减小了混凝土衬砌结构的温度应力，阻断高温对衬砌的影响。因此，隔热层能够显著改善一期混凝土的受力情况。二期混凝土温度应力较小，所受的荷载主要为内水压力，因此二期混凝土的受力情况基本不受隔热层的影响。

3.2 结构位移对比分析

各监测点一期混凝土和二期混凝土的位移分布，分别如图8、图9所示。可以看出，在有、无隔热层两种情况下，一期混凝土和二期混凝土位移趋势基本相同。隔热层增大了衬砌结构的位移，其中一期混凝土位移平均增大约为14.83%，二期混凝土位移平均增大约为14.84%。主要由于隔热层虽然能减小混凝土的温度应力并改善受力特性，但隔热层材料线膨胀系数较大、弹性模量较小，受热会产生较大膨胀，在一定程度上增大了衬砌结构的位移。两底角(3号与5号测点)的衬砌结构位移最小，最大位移出现在拱顶(8号测点)，衬砌底面向上拱起，衬砌拱腰向围岩侧拱起，拱顶沉降较明显。

图8 一期混凝土位移

图9 二期混凝土位移

3.3 结构安全系数对比分析

选取适用于脆性材料的摩尔-库仑强度理论，对混凝土衬砌结构的稳定性进行评价，一期、二期混凝土各测点安全系数分别如图10、图11所示。可以看出，隔热层能明显提高混凝土衬砌结构的安全系数。无隔热层时，在各测点安全系数均小于1，可判定结构已发生破坏。设置隔热层后，一期测点安全系数得到明显的提高，各测点的安全系数均大于1；二期除3号和5号测点安全系数大于1以外，其余各测点仍小于1，表明二期混凝土衬砌仍会发生破坏。主要原因是，不设隔热层时，混凝土衬砌结构温度应力较大，严重降低了一期、二期混凝土安全系数；设置隔热层后，能大幅减小一期混凝土的温度应力，但由于拱效应的存在，衬砌临空面混凝土拉应力较大，安全系数稍低；而二期混凝土的受力分布受隔热层影响较小，在较大内水压力的作用下仍然容易发生破坏。

图10 一期混凝土安全系数

图11 二期混凝土安全系数

隧洞贯通后对围岩进行喷锚支护，并对混凝土进行双层配筋，配筋率为0.54%。一期、二期混凝土的安全系数，如图12、图13所示。可以看出，配筋后对一期混凝土的安全系数影响较小。而二期混凝土安全系数明显增长，不设隔热层时，除底脚外其余测点安全系数均小于1；设置隔热层后，测点的安全系数均值为1.62，且均大于1，能够满足工程安全性的要求，因此采用喷锚支护+隔热层+钢筋混凝土的支护结构，更符合工程实际。

图12 配筋后一期混凝土安全系数

图13 配筋后二期混凝土安全系数

4 结论

本文以哈德布特水电站引水隧洞工程为例，对工程建设期与运行期隧洞衬砌结构的稳定性进行了研究，得出以下结论：衬砌厚度较大时，支护结构有可能与地震发生较大响应，衬砌厚度为0.27m时，支护结构的稳定性最佳；在混凝土衬砌与围岩之间设置隔热层能显著减小温度应力，改善支护结构的受力情况，但衬砌结构平均环向位移增大约14%，一期混凝土衬砌基本满足工程需求。采用喷锚支护+隔热层+钢筋混凝土的支护结构更符合工程实际。