衬砌混凝土等级对输水隧洞地震响应的影响研究

2019-12-18柳颂

水利科学与寒区工程 2019年6期

柳颂

(东港市水利事务服务中心，辽宁丹东 118300)

1 工程背景

柴河水库位于辽宁省铁岭市境内，距离市区约15 km，是辽河一级支流柴河上的一座以防洪灌溉为主，兼具养殖和发电等诸多功能的综合性大型水利枢纽工程[1]。水库集雨面积1355.00 km2，总库容6.36亿m3，兴利库容3.36亿m3，是铁岭市的重要水源地水库。柴河供水工程的主体为输水隧洞工程、分水点事故检修闸门井工程、铁岭新城区支线出口阀井工程，隧洞全长14649.43 m，控制桩号为S21+550.000～S28+550.000、T0-090.736～T7+558.694，纵坡i=0.099‰、i=0.307‰。隧洞为有压隧洞，采用钻爆法开挖，成洞断面为圆形D=3.90 m。工程所在地辽宁省铁岭市位于郯城-营口地震带上，地震活动比较频繁，基本烈度为7度。2013年8月11日在铁岭开源市附近发生3.0级地震，虽然近几十年来，铁岭市境内地震活动总体比较平静，但是并不能排除在未来发生震级较大的破坏性地震的可能性。因此，对输水隧洞的地震响应展开研究具有十分重要的意义和价值。

2 输水隧洞有限元模型的建立2.1 计算软件的选取

目前，国际上比较常用的有限元软件有ANSYS、ABAQUS、ASKA、ADINA等很多种类，这些软件不仅包含适合各种计算工况与复杂工程条件的分析程序，同时也具有十分强大的前处理和后处理模块[2]。其中ANSYS软件是一款整合了结构、电场、声场、磁场、流体等众多模块的大型有限元分析软件。该软件由前处理模块、分析计算模块以及后处理模块组成，可以十分方便的进行工程研究中的有限元模型构造，研究对象的分析计算以及结果的呈现。因此，本次研究选用ANSYS软件进行输水隧洞的有限元模型构建。

2.2 隧洞模型的构建

柴河水库输水工程的输水隧洞为圆形，洞径3.90 m。在利用有限元模型进行地震响应分析过程中，不少学者对计算边界这一重要影响因素进行了深入研究，并提出了诸多观点，其中最为常见的是阻尼边界、一致边界以及无限远边界等[3-4]。当然，从计算精确度层面来讲，模型计算区域越大越好，但是受到计算手段和复杂程度等诸多因素的影响，需要确定一定的竖向计算范围和横向计算宽度。此次研究结合相关学者的研究成果，模型的左右边界各延伸10倍洞径[5]。隧洞底部以下取3倍洞径，上部为至地表。模型的四周采取法向刚性约束，底部采取固定约束，顶部为自由边界条件，水体与衬砌的接触面设置为流固耦合界面[6]。在构建模型时，隧洞周围的岩体体和衬砌采取PLANE42 单元进行模拟，隧洞内部的水体利用FLUID29 单元进行模拟，模型共划分为1280个计算单元，1345个计算节点，其计算模型如图1所示。在输水隧洞的拱顶、左拱腰、左边墙、左墙脚、仰拱、右拱腰、右边墙、右墙脚以及拱顶部位分别设置八个监测点，各监测点的位置如图2所示。

图1 模型网格剖分示意图

图2 监测点布置示意图

2.3 地震波的选取和载入

由于项目所在地的强震记录资料缺乏，因此研究中选取国际上常用的EL.Centro 地震的加速度记录。由其中的地震波加速图谱可知，前8 s的地震响应最大，因此，本次研究选取前8s的地震加速度谱对输水隧洞的地震响应进行分析。由于项目所在地的地震烈度较高，特选取地震烈度为9度，也就是地震波幅值为0.15 g，竖向取水平向的2/3，对模型施加水平向地震激励和竖向地震激励以及两个方向共同施加，以获得不同方向地震激励条件下的输水隧洞动力影响的应力应变特征。结合研究对象的实际特点和相关研究成果，本次研究选取瑞利阻尼，其临界阻尼比按照经验值的5%选取[7]。

2.4 流固耦合方式的设置

流体和固体之间的动力相互作用是水利工程研究设计中的重要问题，并主要表现为两种基本形态：一是以渗流问题为代表的流体域与固体域之间相互重叠的问题；二是两者在交界面上发生的耦合作用，如液体与装载液体的容器之间的耦合作用。显然本次研究属于第二种形态。关于流固耦合主要有顺序耦合以及直接耦合两种方法。本次研究中利用FLUID29 声学流体单元对输水隧洞中的水体进行模拟，利用直接耦合法进行流固耦合场的分析。

2.5 计算工况与计算参数

本次研究的主要内容是采用不同混凝土材料时对输水隧洞地震响应产生的影响，因此分别选取C25、C30、C40和C50四种不同的衬砌混凝土等级进行数值模拟计算，其衬砌材料和周围岩土体的物理力学参数如表1所示。

表1 衬砌材料和周围岩土体的物理力学参数表

3 计算结果与分析

3.1 位移计算结果与分析

对四种不同工况下的输水隧洞衬砌各个监测点的水平位移量进行计算，获得如表2所示的监测点水平位移峰值计算结果。由表格中的数据可以看出，在不同工况下，输水隧洞衬砌各关键部位的水平位移峰值变化不大，说明混凝土等级的变化对输水隧洞位移的影响有限，也就是增大衬砌刚度对抑制地震应力作用下的输水隧洞变形的作用并不明显。

表2 不同工况下各监测点水平位移峰值计算结果 mm

3.2 加速度计算结果与分析

对四种不同工况下的输水隧洞衬砌各个监测点的水平加速度进行计算，获得如表3所示的监测点水平加速度峰值计算结果。由表格中的数据可以看出，在不同工况下，输水隧洞衬砌各关键部位的水平加速度峰值变化不大，说明混凝土等级的变化对输水隧洞水平加速度影响有限，也就是增大衬砌刚度对抑制地震应力造成的水平加速度作用极为有限。

表3 不同工况下各监测点水平加速度峰值计算结果 m/s2

3.3 主应力计算结果与分析(刚度因素)

为了研究混凝土等级对地震响应的影响，研究中针对四种不同工况下的各监测点的主应力进行模拟计算，根据计算结果绘制出各监测点的第一主应力峰值和第三主应力峰值的变化曲线，如图3、图4所示。由图可知，在所有四种不同工况下，输水隧洞的拱腰与墙脚部位的主应力峰值较大，说明上述部位是输水隧洞在地震应力作用下的薄弱部位；随着输水隧洞衬砌用混凝土等级的增加，各个监测点的主应力峰值也呈现出增加态势。以左墙脚为例，衬砌为C25混凝土时，第一主应力峰值为1.536 MPa，第三主应力峰值为-1.571 MPa；采用C30混凝土时，第一主应力峰值为1.627 MPa，第三主应力峰值为-1.659 MPa分别增加5.92%和5.62%；采用C40混凝土时，第一主应力峰值为1.717 MPa，第三主应力峰值为-1.747 MPa，相对于C25混凝土分别增加11.78%和1.23%；采用C50混凝土时，第一主应力峰值为1.786 MPa，第三主应力峰值为-1.815 MPa，相对于C25混凝土分别增加16.28%和15.53%。

基于上述分析，提高输水隧洞混凝土衬砌的等级，会使地震应力作用下的输水隧洞应力增大。鉴于混凝土材料具有显著的脆性特征，因此增加输水隧洞衬砌混凝土的刚度并不利于隧洞本身抗震性能的改善。马宏伟[8]在相关研究中利用级数展开法研究了地震波作用下圆形输水隧洞地震响应，结果显示提高混凝土等级有助于减小输水隧洞衬砌承受的动水压力，但是会增加环向和轴向动应力，因而不利于抗震性能改善。本次研究获得相似的结论，也就是提高输水隧洞混凝土等级会造成衬砌应力增加，反而不利于抗震性能的改善。建议在输水隧洞施工中采用C25混凝土进行衬砌施工，并结合外部抗震带等其他工程措施，改善输水隧洞的抗震性能。