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基于数值模拟的引水隧洞衬砌结构破坏特征分析

2023-09-05毛晓超

水利科学与寒区工程 2023年8期
关键词:内衬张开水压

毛晓超

(吉安市水利水电规划设计院,江西 吉安 343000)

1 工程概况

某引水隧洞地貌类型为侵蚀堆积一级阶地地貌,围岩等级主要为Ⅴ、Ⅳ2、Ⅳ1,地形较平坦;隧洞范围主要位于微风化地层中,覆土厚度约为35~45 m。

该引水隧洞采用错缝拼装,衬砌环由6块C55混凝土管片通过12根M24弯螺栓拼装而成,管片厚度300 mm,隧道外径6000 mm,内径5400 mm,环向宽度1.2 m。

地下水以风化裂隙水及构造裂隙水为主,主要以层状、带状赋存于岩石的强风化带、中等风化~微风化的节理发育带及构造破碎带中,由于裂隙发育不均匀,其富水性不均匀,在局部构造发育带处地下水赋存较丰富,且具一定的承压性,在洞室开挖过程中会表现为线状水流或突涌的现象[1-5]。

2 材料与方法

以引水隧洞的管片衬砌结构为研究对象,建立有限元模型,管片衬砌结构的材料相关参数如表1所示,其有限元模型及监测点如图1所示。

图1 引水隧洞模型

表1 管片衬砌结构的材料相关参数

3 结果分析

为验证采用有限元软件对引水隧洞管片衬砌结构进行分析的准确性,开展衬砌接头荷载试验,对比孔深为15 cm时的管片衬砌结构接头张开量,内水压-接头张开变化量见图2。

图2 内水压-接头张开变化量曲线

不同位置的接头张开量变化趋势具有一定的差异性,上部接缝的接缝张开变化量与其内水压间呈正相关关系,随着内水压的增大,其接缝张开量逐渐增大;下部接缝的接缝张开变化量与其内水压间呈负相关关系,随着内水压的增大,接缝张开量逐渐减小;说明在内水压作用下,管片衬砌结构的上部接头呈张开状态,下部接头呈压缩状态。当内水压较小时,管片衬砌结构的接缝张开变化量变化趋势较为平缓,随着内水压的增大,上升、下降趋势显著,说明在加载的前期,管片衬砌结构的接缝张开量处于零增长阶段,随着加载的进行,管片衬砌结构处于变形阶段。不同接缝位置接头张开量变化量的试验值与模拟值差距较小,其中,上部接缝的差距较大,当内水压为0.17 MPa时,其差距最大,其值为0.24 mm,说明采用有限元模拟对管片衬砌结构进行分析的准确性较高。

为分析引水隧洞管片衬砌结构的受力特性,分析其管片、内衬及钢套筒所受水压力情况,内水压-管片分担内水压比例曲线如图3所示。

图3 内水压-管片分担内水压比例曲线

由图3可知,不同截面的管片分担内水压比例变化趋势具有一致性,其内水压与管片承担的水压力比例呈正相关关系,随着内水压的增大,管片分担内水压比例逐渐增大;当内水压为0.1~0.6 MPa时,管片分担内水压比例缓慢增长,当内水压为0.6~0.7 MPa时,管片分担内水压比例增长趋势显著,不同截面的管片分担内水压比例增长量在10 %左右,当内水压>0.7 MPa时,管片分担内水压比例增长趋势逐渐趋于平缓。

同一内水压下,不同截面的管片分担内水压比例具有一定的差异性,其中,标准块B2主截面的不同截面的管片分担内水压比例最大,其最大管片分担内水压比例为51.6 %;封顶块F主截面的管片分担内水压比例最小,其最大管片分担内水压比例为44.7 %。综合以上分析可得,当内水压较小时,管片分担内水压较小,随着内水压的增大,衬砌管片结构分担更多的内水压,且即使内水压持续增大,内水压的分担比例仍保持稳定。

内水压-自密实混凝土内衬分担内水压比例曲线如图4所示。由图4可知,混凝土内衬分担内水压比例与内水压间呈负相关关系,随着内水压的增大,混凝土内衬分担内水压比例逐渐减小,当内水压为0.6~0.7 MPa时,混凝土内衬分担内水压比例下降趋势显著,最大差值为16 %,混凝土内衬分担内水压比例变化趋势较为平缓,随内水压的增大,下降趋势较为平缓,说明当内水压较小时,混凝土内衬对内水压的分担比例较大,结合图2可得,随着内水压的增大,混凝土内衬对内水压的分担逐渐转移至管片。在同一内水压下,不同截面位置的混凝土内衬分担内水压比例具有一定的差异性,其中,封顶块F主截面的混凝土内衬分担内水压比例最大;当内水压<0.6 MPa时,标准块B3主截面的混凝土内衬分担内水压比例最小,当内水压>0.6 MPa时,标准块B2主截面的混凝土内衬分担内水压比例最小;说明混凝土内衬的内水压主要由封顶块F承担。

图4 内水压-自密实混凝土内衬分担内水压比例曲线

内水压-钢套筒分担内水压比例曲线如图5所示。由图5可知,随着内水压的增大,钢套筒分担内水压比例呈先下降、后上升的趋势,当内水压>0.6 MPa时,内水压与钢套筒分担内水压比例呈正相关关系,当内水压>0.7 MPa时,钢套筒分担内水压比例增长趋势较为平缓;说明当内水压较小时,钢套筒分担的内水压力较小,随着内水压的增大,钢套筒分担的内水压力逐渐增大。当内水压<0.6 MPa时,封顶块F主截面分担的内水压比例最大,标准块B2主截面分担的内水压比例最小;当内水压>0.6 MPa时,邻接块L1主截面分担的内水压比例最大,标准块B3主截面分担的内水压比例最小;说明随着内水压的增大,钢套筒分担内水压逐渐由封顶块F主截面转移到邻接块L1主截面。对比图2、图3可得,管片衬砌结构受水压力的变化规律总体表现为:当内水压较小时,衬砌结构处于弹性阶段,此时结构的水压力主要由混凝土内衬承担,其次为钢套筒,再次为管片;随着内水压的增大,混凝土内衬所承担的水压力逐渐减小,衬砌结构处于开裂破坏阶段,此时内水压逐渐由混凝土内衬转移至管片及钢套筒,且管片承担的内水压较大,随着内水压的持续增大,混凝土内衬承担内水压的比例持续减小,钢套筒承担的内水压比例逐渐增大,管片承担的内水压变化趋势较为平缓,此时钢套筒与管片对于内水压承担的比例较为接近,管片与钢套筒联合受力,混凝土内衬承担的内水压较小。

图5 内水压-钢套筒分担内水压比例曲线

当引水隧洞管片衬砌结构受到内水压作用时,管片及混凝土内衬发生开裂,为分析衬砌结构开裂变形与其所受内水压间的关系,作内水压-混凝土开裂区域百分比曲线,如图6所示。由图6可知,内水压与混凝土开裂区域百分比呈正相关关系,随着内水压的增大,管片与混凝土内衬混凝土开裂区域百分比逐渐增大;当内水压<0.5 MPa时,管片与混凝土内衬混凝土开裂区域百分比变化趋势较为平缓,且管片的开裂区比例大于混凝土内衬的开裂区比例,随着内水压的持续增大,管片与混凝土内衬混凝土的开裂区域百分比增长趋势显著,当内水压>0.6 MPa时,混凝土内衬的开裂区域比例大于管片的开裂比例,说明当内水压较小时,引水隧洞衬砌结构的开裂以管片开裂为主,随着内水压的增大,开裂以混凝土内衬为主。

图6 内水压-混凝土开裂区域百分比曲线

4 结 论

(1)不同接缝位置接头张开量变化量的试验值与模拟值差距较小,其中,上部接缝的差距较大,当内水压为0.17 MPa时,其差距最大,其值为0.24 mm。

(2)内水压与管片承担的水压力比例呈正相关关系,不同截面的管片分担内水压比例增长量在10 %左右,当内水压>0.7 MPa时,管片分担内水压比例增长趋势逐渐趋于平缓。

(3)不同截面位置的混凝土内衬分担内水压比例具有一定的差异性,其中,封顶块F主截面的混凝土内衬分担内水压比例最大;当内水压<0.6 MPa时,标准块B3主截面的混凝土内衬分担内水压比例最小,当内水压>0.6 MPa时,标准块B2主截面的混凝土内衬分担内水压比例最小。

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