路 雷，肖 蕾，胡亚运

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081）

1 工程概况

贵州省望谟县油啥水库工程位于贵州省黔西南布衣苗族自治州望谟县,为Ⅲ等中型工程,枢纽工程由混凝土面板堆石坝、右岸洞式溢洪道、右岸泄洪洞、左岸引水系统及地面厂房等主要建筑物组成。

工程泄洪系统由洞式溢洪道和泄洪洞组成,平行布置于右岸。溢洪道为洞式溢洪道,由开敞式引渠、控制段、洞式泄槽段及开敞式挑流消能工等建筑物组成,其中洞式泄槽段底坡i=8%,开挖断面为城门洞型,净断面尺寸为9.5 m×12 m（宽×高）；泄洪洞由进口段、闸门井段、洞身段、明渠段、消能段组成,隧洞底坡i=6.7%,开挖断面为城门洞型,净断面尺寸为8 m×12 m（宽×高）。隧洞围岩为青灰、灰色薄～中厚层钙质泥岩夹钙质砂岩,局部夹钙质页岩,隧洞开挖段钙质泥岩所占比例40%左右,地下水位较高。

2 研究思路及计算步骤

2.1 研究思路

根据《水工隧洞设计规范》（SL 279-2016）规定,隧洞衬砌结构计算可根据衬砌的结构型式、荷载特点、围岩条件和施工方法及程序等选择合适的计算方法。其中高压隧洞或重要的水工隧洞,宜采用有限元法计算。本工程泄洪洞底板以上外水设计水头高达92.25 m,采用常规边值法进行内力和配筋计算,其结果偏大,因此,采用有限元法对其进行计算研究。

本文采用Abaqvs软件进行有限元数值模拟,分别计算出各工况衬砌结构的应力状态,然后选择拉应力最大位置进行应力积分,按应力图形面积配筋。

2.1.1 结构模型

计算模型采用地层-结构模型,充分发挥和利用围岩的自承能力,施工过程中及时喷锚及衬砌支护,将支护结构与围岩形成整体共同受力的统一体系,并考虑衬砌与围岩采用共结点接触的方式近似模拟。

2.1.2 隧洞开挖

隧洞开挖施工过程通常较为复杂,如分步骤开挖、支护结构的施工等,常规的分析方法处理起来十分困难,往往需要通过有限元对支护结构的内力和变形、围岩体的位移等进行分析。采用Abaqvs的生死单位即可实现隧洞的开挖。

2.1.3 衬砌支护

若没有衬砌的施工,问题将很简单,只需建立初始地应力后,移除需开挖的单元即可。但实际施工过程中,隧洞的开挖施工工序十分繁杂,涉及钻孔、爆破、挂网喷混、锚杆支护、灌浆和衬砌施工等。而在有限元法计算中,衬砌结构支护施工模拟尤为重要,特别是衬砌单元激活的时机,如果在开挖区单元移除前激活不符合真实工程的施工工序,实际衬砌施工时岩体应力已有部分释放；而如果在单元移除后激活,则应力早已完全释放,衬砌起不到任何支撑作用。为了解决衬砌支护时机问题,提出在衬砌施工前,将开挖区单元的变形模量逐渐降低40%,来模拟围岩应力部分释放的实际情况。

2.1.4 非杆件结构配筋计算

泄洪洞断面为城门洞型,无法直接按杆件结构采用结构力学方法求得截面内力,根据《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）,无法按结构力学方法求得截面内力的钢筋混凝土结构,可由求得截面的应力图形面积确定配筋数量。

当应力图形偏离线性分布较大时,可按主拉应力在配筋方向投影图形的总面积计算钢筋截面积 As,并按下式计算：

式中：K为承载能力安全系数；fy为钢筋抗拉强度设计值,N/mm2；T为由钢筋承担的拉力设计值,T=ωb,N；ω为截面主拉应力在配筋方向投影图形的总面积,mm2；b为结构截面宽度,mm。

2.2 计算步骤

本次计算主要分为三个步骤：第一步为地应力平衡,岩体主要受自身重力作用下的初始地应力；第二步为隧洞开挖和衬砌支护；第三步计算各工况下衬砌的应力状态；第四步根据计算所得内力,对衬砌结构进行配筋计算。

3 计算模型及计算参数

3.1 计算模型

洞室稳定主要受到围岩压力、衬砌自重、外水压力及施工期灌浆压力等作用影响。考虑到泄洪洞不同部位受到的围岩压力及外水压力变化较大,选择泄洪洞对应地下水位线最高的剖面作为最危险位置来计算,见图1。

图1 青山水库输水工程系统布置示意图

有限元网格模型见图2,岩体和衬砌采用CPE4和CPE3平面应变单元,共有单元40242个,结点32895个。对模型两侧边界约束节点的水平位移,模型底部边界约束节点的竖直位移。

图2 泄洪隧洞剖面网格模型

3.2 计算参数

计算岩体材料采用Mohr-Covlomb模型,衬砌材料采用线弹性模型。隧道洞身衬砌采用C35 混凝土,轴心抗压强度fc=16.7 N/mm2,轴心抗拉强度ft=15.7 N/mm2,混凝土弹性模Ec=3.15×104N/mm2。钢筋采用HRB400级钢筋,抗拉强度设计值fy=360 N/mm2,抗压强度设计值fy'=360 N/mm2。根据地质报告,岩体物理力学参数建议值见表1。

表1 岩体物理力学参数建议值

续表1

4 计算成果分析

4.1 天然地应力场

开挖前岩体地应力平衡结果见图3,竖向应力基本与埋深相关,且应力过渡平顺。

图3 开挖前岩体竖向应力分布（单位：Pa）

4.2 开挖后计算结果

隧洞开挖后,最大拉应力为0.38MPa,位于泄洪洞底部,隧洞的主要变形方向是洞底向上的回弹变形及洞顶的向下塌陷变形,主要原因为围岩开挖卸荷造成向临空面变形,符合一般规律,而且最大变形较小,最大拉应力未超过围岩允许承载力,因此隧洞开挖后较稳定,具体见图4。

图4 隧洞开挖后最大主应力分布（单位：Pa）

（3）衬砌计算结果

①运行工况

图5 检修工况下隧洞衬砌最大主应力分布图（单位：Pa）

②施工工况

图6 施工工况下隧洞衬砌最大主应力分布图（单位：Pa）

洞式溢洪道和泄洪洞衬砌结构的内力状态及变形趋势基本相同,隧洞衬砌的边墙大部分区域都处于受压状态,局部出现较小拉应力,顶拱全部为受压状态,底板出现范围较大的拉应力区域,衬砌结构应力计算结果具体见表2。

4.3 配筋计算

根据以上计算所得各工况下衬砌的应力状态,按主拉应力在配筋方向投影图形的总面积计算钢筋截面积。隧洞拉应力主要分布于衬砌结构的2个底角部及侧墙,因此,配筋计算按顶拱、腰部、底板分别进行应力配筋。由钢筋承担的拉力设计值根据应力路径积分求出,该配筋具体方法详见2.1.4节。

在配筋计算过程中,运行工况为基本组合承载力安全系数K取1.2,施工工况为偶然组合承载力安全系数K取1.0,计算配筋表，见表3。

表2 衬砌应力计算结果

表3 隧洞衬砌结构配筋表

4.4 配筋结果对比

将有限元法计算结果与SDCAD边值法进行对比,可知边值法计算所得配筋量明显大于有限元法,计算结果偏不经济,但直接采用有限元计算结果配筋则偏危险,实际工程中采用有限元计算结果进行配筋的应用还不多,目前仍为采用两种计算方法所得配筋量综合确定。

表4 隧洞衬砌配筋比较表

5 计算结论

根据计算结果得出以下结论：

（1）开挖支护。泄洪隧洞开挖变形较小,最大变形位于隧洞底部,主要为开挖卸荷后底板向上的应力回弹,最大拉应力出现于隧洞底部,最大拉应力小于围岩允许承载能力,不会发现变形破坏,洞室稳定性良好,但开挖后需尽快做好喷锚及衬砌支护。

（2）衬砌计算。从有限元计算结果看出,衬砌较大变形区域主要位于边墙与底板的拐角处以及底板的中部。在衬砌的边墙及顶部大部分区域都处于受压状态。洞式溢洪道和泄洪洞内力状态和变形趋势基本相同,都在底板出现局部较大的拉应力区域。

（3）配筋计算。通过计算,运行工况为控制工况,配筋计算采用运行工况结果进行计算。采用SDCAD软件中边值法计算的配筋量较有限元大很多,计算结果偏于不经济,但考虑到有限元计算配筋结果在实际工程中应用还不多,隧洞衬砌最终配筋量,需结合两种计算结果综合确定。