某水电站导流洞衬砌稳定性的有限元分析

摘要:文章利用有限元的方法建立模型分析了导流洞的变形特性,介绍了各不同工况下(包括:度汛工况、封堵工况、施工工况)导流洞所承受的不同荷载组合,并结合计算结果研究了洞边衬砌段的变形特征。

关键词:有限元;导流洞;衬砌稳定性;荷载组合

中图分类号:TV641文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)12-0100-02

随着我国水利水电建设事业的发展,水工隧洞将日趋增多,规模也在不断加大。近年来,水工隧洞在设计理论、施工方法和建筑结构方面有了新的发展,但由于隧洞属地下结构,影响其工作状态的因素很多且复杂多变,一些作用力的计算及设计理论都还存在一些不尽符合实际的假定,均有待在总结实践经验的基础上进一步完善和提高。

某水电站属于一等大 (Ⅰ)型工程。导流洞布置在右岸,由进口明渠段、进口控制段、洞身段及出口明渠段组成。洞身断面为城门洞形,断面尺寸为15.0m×18.0m(宽×高)。导流洞堵头施工期洪水标准采用全年20年一遇,相应洪峰流量8680m3/s,坝前最高水位337.52m,封堵门底坎以上最大水头75.52m。由于导流洞洞身过水断面较大,外水水头较高,以边值法计算,结构衬砌配筋量较大,为减少工程造价,便于现场施工,特对衬砌结构进行有限元计算与分析,以确定结构应力应变实际情况,为结构配筋优化提供依据。

一、有限元模型建立

本次有限元分析采用国际上广泛运用的有限元通用分析软件――ANSYS。该软件含有多种分析能力,包括简单的线性静态分析和复杂的非线性动态分析,本研究中主要采用ANSYS软件的结构静力分析,用于求解不考虑惯性对结构影响的问题,且对混凝土和围岩均采用线弹性分析。

为降低边界约束对导流洞的影响,采用增大计算范围的方法:在导流洞横剖面图的基础上,以洞室底板为基点向下延伸3倍以上的洞高,以洞室左右衬砌外壁为基点分别向左右延伸3倍以上的洞宽,以对应剖面上部山体实际形状为上边界。导流洞上部山体为自由边界,左右两侧受法向约束,模型底部受固定约束。建立模型如图1所示,模型中以衬砌底板中央为原点,以衬砌横剖面内水平方向为X向,向右为正,以铅直方向为Y轴方向,向上为正。断面计算范围:

-70mmQXQ70m,-62mQYQ95m。

导流洞衬砌段为C25混凝土,材料编号为1;导流洞周围山体及洞内被开挖岩体,材料编号为2;在衬砌与围岩之间的一层厚5cm的围岩节理裂隙,材料编号为3;材料分区具体如图1所示,各材料物理力学参数见表1:

表1 导流洞洞身岩体及衬砌物理力学指标表

材料名称 容重(kN/m3) 弹形模量(GPa) 泊松比

衬砌C25混凝土 25.0 28.0 0.167

洞身副片岩 27.5 11.0 0.21~0.26

5厘米的节理薄层 27.0 * 按表下要求取值 0.21

*注:在围岩和衬砌之间布置了一层节理单元,厚度取5cm,当荷载以内水压力为主时 (运行期工况),节理单元弹模取混凝土衬砌弹模的1/10,当荷载以外水压力为主时,为避免围岩限制衬砌向内变形,节理单元弹模取E=0.1MPa。

二、分析方法及荷载

该水电站导流洞主要荷载包括岩体自重、洞内外水压力以及顶拱处的灌浆压力0.3MPa。洞外水压力从底板过水面算起高约58m,内水压力取决于洞口水位,高约21.5m。其中考虑岩体已沉积多年,固结变形已完成。计算过程按照以下步骤:

1.模拟初始应力场:计算出模型在只受重力情况下的应力分布情况,并得到模型初始自重应力场,将此时的净变形量清零。

2.毛洞开挖与隧洞衬砌:采用整体开挖方式,将衬砌及衬砌内部岩体一起开挖,然后将衬砌激活,并导入模型初始自重应力场,获得岩体开挖后衬砌的卸荷变形量及总应力场。

3.根据不同工况的荷载组合不同,在衬砌上施加相应荷载,计算衬砌最终变形量,检验其安全性。

三、计算结果分析

本次研究分别针对度汛运行工况、封堵工况和施工工况进行模拟。其中,度汛工况包括山岩压力、内水压力、山体的外水压力,封堵工况包括山岩压力、山体的外水压力,施工工况包括山岩压力、灌浆压力(顶拱)、山体的外水压力。在自重应力作用下,最终衬砌上各工况的荷载施加如图2所示:

按照上述方法及荷载,各工况下衬砌内关键点处的位移见表2:

在应力方面,三种工况下,主要的压应力集中点是边墙与底板连接转折处,约在-8.6～-14.9MPa范围内;底板中央及顶拱内部局部出现拉应力,大多小于2MPa,仅极小范围最大值达到2.29MPa。

四、结论与建议

通过ANSYS有限元软件对导流洞断面进行建模和计算分析,得出三种不同工况下洞内衬砌的变形量及应力分布,主要结论与建议如下:

1.经过有限元分析,在各工况下该导流洞衬砌整体处于安全状态。

2.衬砌混凝土变形总体较小,仅在施工工况边墙的最大变形值接近5mm,建议在边墙处设置结构配筋。

3.衬砌混凝土的压应力在允许范围内;仅底板中央及顶拱局部出现较大拉应力,建议采取适当措施。

参考文献

[1]汪胡桢,顾慰慈.水工隧洞的设计理论和计算[M].北京:水利水电出版社,2004.

[2]李围.隧道及地下工程ANSYS实例分析[M].中国水利水电出版社,2008.

[3]吴数伟,张建海,张雪晶,等.锦屏电站左岸导流洞局部围岩失稳有限元分析[C].第15届全国结构工程学术会议论文集,焦作,2006.

[4]黄细丁.石门坎水电站导流洞开挖支护过程模拟分析[J].云南水力发电,2009,25(1).

[5]张建华.隧洞围岩及衬砌结构稳定性有限元分析[J].铁道建筑,2009,(6).

作者简介:文建华 (1969-),男,湖南桃江人,中国地质大学 (武汉)经济管理学院在读工程硕士,湘潭电机股份有限公司电机事业部工程师,研究方向:有限元软件分析及应用。