导流隧洞衬砌结构计算分析研究

６２　杨静安，杨鑫平．导流隧洞衬砌结构计算分析研究　文章编号：１００６－－２６１０（２０１２）Ｏ３—００６２—Ｏ５　导流隧洞衬砌结构计算分析研究　杨静安，杨鑫平　（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，西安７１００６５）　摘要：导流隧洞广泛应用于工程建设中，钢筋混凝土衬砌支护是导流隧洞的主要支护方式。目前，中国国内大部分　工程导流隧洞衬砌配筋方案值得商榷。文章对导流洞衬砌结构的受力特点进行了分析研究。研究表明只要采用先　进的设计理念和有效的工程措施，就能减小衬砌厚度和钢筋用量。　关键词：导流隧洞；围岩；衬砌；缝隙；接触　中图分类号：ＴＶ５１２　文献标识码：Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｌｉｎｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　ＹＡＮＧ　Ｊｉｎｇ－ａｎ，ＹＡＮＧ　Ｘｉｎ－ｐｉｎｇ　（ＨｙｄｒｏＣｈｉｎａ　Ｘｉｂｅｉ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｘｉ＇ａｎ　７１００６５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｌｉｎｉｎｇ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｕｐｐｏ￣ｍｏｄｅ　ｏｆ　ｄｉｖｅｒ－　ｓｉｏｎ　ｔｕｎｎｅ１．Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ｓｃｈｅｍｅｓ　ｆｏｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍｏｓｔ　ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｌｉｎｉｎｇｓ　ｎｅｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｃｈａｒ—　ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｎｉｎｇ　ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ　ｏｆ　ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｌｉｎｉｎｇ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｒｅｉｎ－　ｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ａｓ　ｌｏｎｇ　ａｓ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ｗｅｌ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ；ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ；ｌｉｎｉｎｇ；ｇａｐ；ｃｏｎｔａｃｔ　某水电站工程为二等大（２）型工程，挡水、泄　洪、引水及发电等永久性主要建筑物为２级建筑物，　电站初期导流采用全年围堰挡水、２条初期导流洞　过流宣泄全年施工期设计洪水的导流方案ｌ１－２１。其　ｍ）作为计算研究的对象，断面尺寸采用１１．５　ｍｘ　１５．５　ｍ（宽ｘ高）的城门洞形，顶拱中心角为１１０。，衬　砌厚度为１．０　ｍ，见图１—３。　１．２计算参数　导０＋３００．００　ｍ桩号围岩属Ⅲ　类岩石，大部分　中１号导流洞进口底板高程１　８１３．００　ｍ，出口底板　高程１　８１０．Ｏ０　ｍ。导流洞运行期和封堵期的水头较　岩性为（　一Ｓｂ）的砂质、泥质板岩、（　ａ—Ｓｓ＋Ｓｂ）的　大，特别是封堵期导流洞承受的最大外水水头为　９６．０　ｍ。因此，为了研究导流洞在运行期和封堵期　中厚～厚层状变质石英砂岩夹砂质、泥质板岩及　（Ｐ；一Ｓｂ）砂质、泥质板岩，岩层产状为ＮＥ０。～ＮＥ７。　衬砌结构安全与围岩稳定，并在此基础上优化支护　方案和衬砌配筋设计，达到结构安全、经济合理的目　的，本文运用有限元软件ＡＮＳＹＳ　Ｊ，对导流洞衬砌　结构进行了有限元计算分析研究。　１设计资料和计算参数　１．１结构简图　本文以导流隧洞的一个特征断面（导０＋３００．００　收稿日期：２０１２－０３－０５　作者简介：杨静安（１９７９一），男，河南省鹤壁市人，工程师，主要　从事施工组织设计工作．　图１衬砌结构尺寸图　单位：ｅｍ　西北水电・２０１２年・第３期　６３　ｓＥ　８１。～Ｌ８５。。围岩变形模量为７．０　ＧＰａ，泊松　比０．３０，容重２４．５　ｋＮ／ｍ　。　一次支护采用喷射素混凝土和锚杆（０２５，长５　ｍ，外露０．５　ｍ，间排距２．０　ｍ￣２．０　ｍ），喷层强度等　级为Ｃ２５，其弹模为２８．０　ＧＰａ，泊松比０．１６７，容重　２４．０　ｋＮ／ｍ　；锚杆弹模为２００　ＧＰａ，泊松比０．２５。二　次支护采用Ｃ２５混凝土衬砌，混凝土强度等级为　Ｃ２５，弹性模量取为２８．０　ＧＰａ，泊松比０．１６７，容重　２５．０　ｋＮ／ｍ　２基本假定（１）衬砌混凝土为各向同性的线弹性材料，围　岩为弹塑性材料…。　（２）运行期衬砌顶部、边墙与围岩之间的缝隙　是均匀的，假定缝隙宽度为０．２　ｍｍ，衬砌底板与围　岩共结点接触，见图２。　围　围　岩　岩　围岩　图２运行期衬砌与围岩模型图单位：ｃｍ　（３）封堵期衬砌顶部、边墙与围岩之间存在缝　隙，考虑系统锚杆伸人混凝土衬砌Ｏ．５　ｍ。衬砌底　板与围岩共结点接触，见图３。　围岩　图３封堵期衬砌与围岩模型图　单位：ｃｍ　（４）假定衬砌的内水荷载作用在衬砌内表面，　外水荷载作用在衬砌的外表面，没有考虑混凝土开　裂后的内水外渗和封堵期外水内渗的影响＿５　Ｊ。　３设计工况　（１）持久状况：运行期内水水头３０．０　ｍ；考虑　衬砌与围岩之间是否存在缝隙２种工况。　（２）短暂状况：封堵期外水水头３０．０　ｍ；考虑　系统锚杆是否伸入混凝土衬砌２种工况。　４计算模型　导流洞特征断面的计算分析属于三维问题，根　据一般地下建筑物应力分析的经验，围岩的计算区　域按下述原则确定：径向计算区域为３倍开挖洞径；　沿洞轴线方向计算区域为１０　ｍ。计算模型左右两　侧、上下游侧及底部均施加法向约束。网格生成借　助ＡＮＳＹＳ前处理程序，计算模型总单元数为１５　４０２　个。其中混凝土衬砌单元２　１６０个，围岩单元１２　４５８个。坐标原点取在顶拱的圆心处，ｚ轴为水平　向，指向上游为正；Ｙ轴沿铅垂向，向上为正；Ｘ轴沿　水平向，指向右侧（面向下游）为正。模型网格见图　４，５。　５计算成果分析　５．１　运行期衬砌与围岩联合承载分析　ＣＯＮＴＡＣ５２是三维点一点接触单元，程序通过２　个结点来定义，且２个结点不能处于同一位置，在　ＣＯＮＴＡＣ５２单元中，接触面垂直于结点之间的连线。　图４整体模型图　单位：ｍ　杨静安，杨鑫平．导流隧洞衬砌结构计算分析研究　单元法向位移定义为：正值有使间隙张开的趋势，负　值表示有挤压的趋势。２个重要参数为缝隙值ＧＡＰ　和法向刚度ＫＮ。利用ＳＯＬＩＤ　６５单元模拟混凝土衬　砌；喷层采用ＳＨＥＬＬ　１４３单元模拟；锚杆采用ＬＩＮＫ　８单元模拟。　图５衬砌网格图　计算条件：运行期按设计内水水头３０　ｍ进行计　算，利用ＡＮＳＹＳ中的点点接触单元来模拟衬砌顶拱　与围岩之间的缝隙，并假定衬砌与围岩之间的缝隙　宽为０．０　ｍｍ和０．２　ｍｌＴｌ进行计算。　（１）根据计算结果，整理了衬砌特征结点的位　移值，见表１。其中衬砌关键结点的位置见图６。　表１　特征节点的位移和应力值表　注：拉应力为正值，压应力为负值。　由表１可以看出：初缝隙值对顶拱中心点的竖直　向ｌ，向位移的影响最大，当初始缝隙值为０．０　ｍｍ和　０．２　ｍｍ时，顶拱中心向上变形的位移为０．１２１　ｍｍ和　０．４９７　ｍｍ；初缝隙值对边墙中部的水平向　向位移　的影响最大，当初始缝隙值为０．０　ｍｍ和０．２　ｍｍ时，　边墙中心向外变形的位移为０．３０８　ｍｍ和１．２０８　ｍｍ。　可见，缝隙的存在对顶拱和边墙的变形影响最大，对　底板底部的变形影响较小。　图６关键结点图　（２）整理衬砌关键结点的第一主应力和第三主　应力。由表１可以看出：初始缝隙值对顶拱中心点　和边墙中间的第一主应力的影响最大，当初始缝隙　值为０．０　ｍｍ和０．２　ｍｍ时，顶拱中心关键结点的第　一主应力为１．３９６　ＭＰａ和３．８２７　ＭＰａ；边墙中心关　键结点的第一主应力为２．０９３　ＭＰａ和８．２６１　ＭＰａ。　可见，缝隙的存在对顶拱和边墙的受力影响最大，对　底板底部的受力影响较小。　综上，初始缝隙直接影响到衬砌的变形和受力，　当初始缝隙不存在时，衬砌的变形和受力较小，对衬　砌的受力状态最有利，可以充分发挥围岩的作用。　所以要保证衬砌的施工质量和回填灌浆的质量，尽　量减小缝隙值，保证衬砌的安全稳定。　５．２封堵期衬砌与围岩的联合承载分析　（１）利用系统锚杆连接衬砌与围岩　计算条件：封堵期按外水水头３０．０　ｍ进行计算，　考虑对衬砌的最不利影响，假定衬砌顶拱、边墙与围　岩是脱离的，衬砌底板与围岩接触良好。假定系统锚　杆是否伸人混凝土衬砌２种工况进行计算分析。分　别以工况Ａ和Ｂ表示。Ａ工况表示锚杆伸人混凝土　衬砌；Ｂ工况表示衬砌顶拱、边墙与围岩脱开。　整理了Ａ和Ｂ两种工况衬砌特征关键结点的　竖直向、水平向位移和主应力，见表２，其中衬砌特　征结点的位置见图６。　从表２看出：是否把系统锚杆伸人衬砌，对衬砌　的变形和受力影响明显，竖直向变形幅度最大的发　生在顶拱中部，变化幅度５４．９２％；水平向变形幅度　西北水电・２０１２年・第３期　６５　最大的发生在边墙中部，变化幅度４１．６０％。第一　主应力变化幅度较大的发生在顶拱中部和边墙中部　内侧，变化幅度分别为９７．２７％和３６．０７％，可见，把　锚杆伸人衬砌直接影响到衬砌的变形和受力。当把　锚杆伸人衬砌时，衬砌的变形和受力都比锚杆不伸　人衬砌时的数值小，变化幅度较大。可见，为提高围　岩与衬砌的联合承载，把系统锚杆外露５０　ｅｍ，并与　衬砌中的钢筋焊接是很好的工程措施。　表２特征节点的位移和应力值表　注：拉应力为正值，压应力为负值。　从应力数值上看，对于工况Ｂ，第一主应力最大　达到了１４．２６　ＭＰａ，远远大于混凝土的抗拉强度，通　过计算配筋率很大，无法通过配置钢筋解决。且本　计算断面距离导流洞进洞点３００．０　ｍ，外水水头仅　３０．０　ｍ，衬砌厚度１．０　ｍ，但对于城门洞形导流隧　洞，已无法抵抗外水荷载。但可以在洞室周围打设　排水孔，有效地减小外水压力。　（２）利用固结灌浆措施　为了充分发挥围岩的作用，对围岩进行固结灌　浆，灌浆孔深８．０　ｍ，间排距２．０　ｍ×２．０　ｍ，灌浆压　力控制在０．５～２．０　ＭＰａ。假定形成固结圈的范围　为３．０　ｍ，计算时把外水压力作用在３．０　ｍ厚固结　图７　固结灌浆示意图　单位：ｅｍ　圈的外表面。灌浆布置见图７。并把此情况定义为　工况Ｃ。并把工况Ｂ和工况Ｃ进行比较分析。　图８工况Ｂ衬砌第一主应力单位：ＭＰａ　图９工况Ｃ衬砌第一主应力单位：ＭＰａ　整理了Ｂ和Ｃ两种工况衬砌特征关键结点的　竖直向、水平向位移和主应力，见表３、图８和图９，　其中衬砌特征结点的位置见图６。　表３　特征节点的位移和应力值表　注：向外变形位移为正值，向内变形位移为负值；拉应力为正值，　压应力为负值。　从表３看出：有没有进行固结灌浆，对衬砌的变　杨静安，杨鑫平．导流隧洞衬砌结构计算分析研究　形和受力影响明显，竖直向变形幅度最大的发生在顶　拱中部，变化幅度３６．７４％；水平向变形幅度最大的发　生在拱座，变化幅度５１．１１％。第一主应力变化幅度　较大的发生在顶拱中部和底板底部内侧，变化幅度分　别为９９．８６％和９６．９５％。采取固结灌浆措施形成固　结圈，可有效较小衬砌的变形，使得衬砌的受力状态　大大改善。可见，为充分发挥围岩和衬砌的联合承载　作用，固结灌浆是有效的工程措施之一。　５．３衬砌结构配筋计算　随着导流隧洞断面尺寸越来越大，采用三维有　限元方法可以较真实地反映混凝土衬砌结构的受力　状态，为结构的配筋提供更可靠的依据。　对于城门洞形断面，衬砌边墙和底板的抗剪能　力较差。本小节将针对运行期衬砌与围岩之间不存　在缝隙工况的结果进行整理，并对衬砌结构进行正　截面抗拉、抗压配筋和斜截面抗剪配筋。　为此，整理了导０＋３００．００　ｍ断面中的５个截面　（图６所示）的拉应力合力　和配筋，配筋计算公式　见规范ＤＬ／Ｔ　５０５７—２００９附图Ｄ。计算时取　＝　０．９，　ｄ＝１．２，ｆｙ＝３００　ＭＰａ。　表４运行期导０＋３００．ｏ０　ｍ断面正应力配筋计算表　表５运行期导０＋３００．００　ｍ断面剪应力配筋计算表　从表４和表５可以看出，在运行期控制截面位　于边墙和底板交接部位，配筋量最大，其次为底板和　拱座位置；运行期衬砌的剪应力数值不大，计算后按　照构造配筋即可。计算结果也表明，内水作用下衬　砌受到的剪应力不大，外水作用下衬砌受到的剪应　力较大。可见，衬砌配筋需通过比较运行期和封堵　期２种工况，最终确定衬砌各位置的配筋。　６结论　（１）当内水荷载为控制工况时，做好固结灌浆　和回填灌浆，充分发挥围岩的作用，使得衬砌与围岩　联合承载，可有效地抵抗内水的作用。　（２）当外水荷载为控制工况时，为了减小衬砌　厚度和配筋量，可采用以下措施。　１）最好采用圆形断面，但对于导流洞临时工程　来讲，为加快施工进度，一般采用城门洞形。　２）对于城门洞形结构，决定了其边墙及底板的　剪应力较大，为满足抗剪要求。尽量采用增加衬砌　的厚度，而不是过多的配置抗剪钢筋。这样可更好　地发挥施工进度快的特点。　３）预留锚杆头：在施工期施作锚杆时，在喷射　混凝土层外将锚杆预留５０　ｃｍ，然后在钢筋混凝土　衬砌浇筑时，将预留的锚杆头与钢筋混凝土衬砌内　的钢筋焊接在一起。不仅在封堵期锚杆可以承担部　分外水压力，更重要的是在施工期衬砌凝固过程中，　锚杆限制了衬砌的收缩变形，可以增加衬砌与围岩　的黏结力。　４）采用固结灌浆的工程措施，灌浆孔深入岩石　８．０　ｍ，灌浆孑Ｌ间排距为２．０　ｍ。为减少裂隙水的侵　入，利用围岩和衬砌共同承担外水压力。　５）针对封堵期导流洞高外水压力的特点，建议　在导流洞衬砌上设排水孔的办法来加强衬砌外侧的　排水，以降低封堵期衬砌承受的高外水压力。由于　导流洞进口段靠近水库，水流渗径较短，因此建议衬　砌内排水孔在导流洞进口５０　ｍ以后再进行设置，间　排距３．０　ｍ，人岩３．０　１３３。　６）对于大尺寸洞室，当最大外水水头大于４０　ｍ时，　建议导流洞进口段５０　ｍ范围内衬砌厚度应不小于１．５　ｍ，在衬砌与围岩接触面埋设盲沟，并打设减压孑Ｌ来减小　外水压力，孔间排距３．０　ｍ，人岩０．５　ｒｎ。　（３）利用有限元方法对导流隧洞衬砌结构进行　计算有待规范化。　参考文献：　［１］ＤＬ／Ｔ　５１９５—２００４，水工隧洞设计规范［Ｓ］．北京：中国电力出　版社，２００４，１８－２５．　［２］周氐，章定国，等．水工混凝土结构设计手册［Ｍ］．北京：水利　电力出版社，１９８８，６９—７９．　［３］王勖成，邵敏．有限单元法的基本原理和数值方法［Ｍ］．北京：　清华大学出版社，１９９７，２５—３７．　［４］张志国，肖明，张雨霆，等．大型地下洞室三维弹塑性有限元分　析［Ｊ］．岩石力学工程学报，１９８７，６（１）：１７—２０．　［５］杨静安，吴晓燕．大型导流洞衬砌结构与围岩稳定研究［Ｊ］．电　网与水力发电进展，２００８．（Ｏ１）：５９—６３．