高岩温输水隧洞运行期支护结构影响规律分析研究

张怀生

(喀左县水利局，辽宁 朝阳 122300)

1 工程背景

观音阁水库输水工程是将辽宁省观音阁水库的富于水量利用输水隧洞和管线以自流的方式引入下游本溪市的大型综合性输水工程[1]。工程的建成和投入运行对保障本溪市生产生活用水安全具有重要意义，在水资源供需矛盾日益突出的背景下，可以为本溪市未来的经济和社会发展提供安全可靠的水源。该输水工程以观音阁水库为取水水源，设计取水规模为125万m3/d，年平均取水量约3.74亿m3[2]。作为工程主要构成部分的输水线路总长为91.3km，其中包括41.5km的输水隧洞以及49.8km的输水管线。其中，输水隧洞段采取新奥法施工[3]。受当地特殊工程地质环境的影响，该工程输水隧洞的部分施工段存在高岩温情况。例如，输水隧洞三标段的部分地点最高岩体温度可达100℃，洞内围岩温度较高，平均温度在28℃以上，洞内环境温度基本在50℃以上，且氧气比较缺乏。水工隧洞的运行期是产生工程效益的关键时期。在隧洞通水运行期间，其围岩支护结构将会受到温度、内水压力以及地应力三者的相互作用和影响。对于高岩温洞段，在通水运行期间，围岩支护结构的内外温差会形成高梯度的温度场，使支护结构材料产生严重的收缩变形破坏，而外部的围岩结构也会因之产生较大的应力导致开裂破坏，在水流通过裂缝渗入岩体内部之后，将会诱发水力劈裂现象，不利于隧洞的安全运行[4-5]。因此，高岩温深埋水工隧洞设计，必须要重视温度、内水压力以及高地应力三者的相互作用和影响。

2 温度-渗流-应力耦合模型

2.1 模型的计算原理

温度-渗流-应力耦合过程分析通过求解动量、质量和能量守恒方程实现，其数学表达式如式(1)-式(3)所示。

动量守恒方程：

(1)

式中：C为弹性模量，GPa；u为位移矢量，mm；εp为塑性应变，MPa；β为热膨胀系数；T为温度，℃；αw为比奥系数，这里取1；pw为孔隙水压力，N/m2；g为重力加速度，9.8m/s2；ρ为密度，kg/m3。

质量守恒方程：

(2)

式中：n为岩层孔隙率；Kw为水的体积模量，MPa；Ks为岩石体积模量，MPa；βw为水的热膨胀系数；ρs为岩石密度，kg/m3；ρw为水密度，kg/m3；μw为水的动力黏滞系数；k为渗透率；σv为有效应力，kN。

能量守恒方程

(3)

式中：λ为导热系数；σ为应力张量；cw为水的比热容，J /kg℃；cv为岩体的比热容，J /kg℃；Q为吸收的热量，J。

耦合模型的计算控制方程由式(1)-式(3)组成，其中的基本变量为位移矢量u、孔隙水压力pw、温度T以及孔隙率n。

2.2 多场耦合有限元模型

根据施工现场的实地测量，输水隧洞围岩级别主要为Ⅱ级，个别地段存在Ⅲ级和Ⅳ级围岩，围岩的岩石的完整性较好，质地比较坚硬，从岩性上来看，主要是花岗岩麻岩。鉴于岩石的结构比较完整，因此在围岩支护结构中采用的是C30喷射混凝土。

根据工程的实际情况以及相关领域的研究结论，本次研究采用二维模型进行输水隧洞的结构数值模拟研究。隧洞截面为城门洞型设计，洞径为4.7m，研究选择6倍洞径并取整，选取隧洞轴线上下左右各30m作为模型的计算范围。对模型采用四面体网格剖分吗，局部加密，最终获得2778个计算单元，3244个计算节点。计算模型的网格剖分示意图如图1所示。模型的左右采用水平向约束，顶部和底部采用固定约束。

2.3 计算方案

在输水隧洞通水运行之后，围岩和支护结构受力情况比较复杂，影响因素也较多。结合观音阁输水工程的实际情况，研究中选取支护结构厚度、围岩温度、水头大小三个主要影响因素进行单因素变化分析，具体的模拟计算方案如表1所示。

图1 模型网格剖分示意图

影响因素原设计值计算方案支护结构厚度/m0.50.4、0.5、0.6岩体温度/℃6560、70、80、90、100水温度/℃50、5、10水头/m3030、60、100

3 计算结果与分析

3.1 支护结构厚度影响计算结果与分析

利用上节构建的模型，在其他参数取原始设计值情况下，对不同支护厚度下支护结构的拱顶、洞底和侧墙等关键部位的受力和位移值进行计算，获得如表2所示的计算结果。

由计算结果可知，随着支护厚度的增加，输水隧洞支护结构的洞底和边墙的最大主应力变化较大，而拱顶部位的应力值变化较小，基本保持不变。同时，在不同厚度条件下，各特征点受到的最大主应力均为压应力，并随着支护厚度的增加而增加。从位移量来看，隧洞各关键部位的位移量随着支护厚度的增加而减小，其中拱顶和边墙部位的位移量较大，洞底的位移量较小，但是各部位的位移量差距并不明显。此外，支护厚度的增加也会在一定程度上增加围岩支护结构的内部温度梯度，进而造成温度拉应力的减小。总之，在输水隧洞通水运行之后，围岩支护结构的厚度可以改善支护结构的受力和变形，对提高输水隧洞的安全性具有一定的作用。

3.2 围岩温度影响的计算结果与分析

为了研究不同围岩温度条件下的隧洞支护结构的受力和变形情况，研究中利用上节构建的模型，在其他参数为原始设计数值的条件下，对不同围岩温度下的隧洞支护结构的受力和变形情况进行计算，结果如图2-图4所示。由图可知，随着围岩初始温度的升高，关键部位受到的最大应力和位移值均呈现出逐步增大的态势，当初始围岩温度为100℃时，围岩支护结构的拉应力值达到最大，出现在隧洞支护结构的底部。当围岩初始温度从60℃增加到100℃过程中，关键部位的位移值也明显增大，最大差值为0.25mm。由此可见，随着输水隧洞围岩初始温度的升高，支护结构所受的应力和变形也明显增大，因此输水隧洞围岩的初始温度越高，越不利于支护结构安全和稳定。

表2 不同支护厚度下拱顶、洞底和侧墙应力和位移计算结果

3.3 通水温度影响的计算结果与分析

在其他参数为原始设计数值的条件下，对不同通水温度下的隧洞支护结构的受力和变形情况进行计算，结果如图5-图7所示。由图可知，随着输水隧洞通水温度的升高，隧洞支护结构关键部位受到的最大应力值变化不明显，当水温为10℃时最大应力出现在侧墙部位，为0.512MPa。随着通水水温的升高，支护结构的变形也有所减小。究其原因，主要是通水水温的升高有利于减小围岩支护结构内外温差，从而造成围岩支护结构由于温度因修改那个造成的应力减小。

3.4 通水水头影响的计算结果与分析

在其他参数为原始设计数值的条件下，对不同通水水头下的隧洞支护结构的受力和变形情况进行计算，结果如表3所示。由表中的结果可知，随着通水水头的增大，输水隧洞围岩的支护结构所受的渗流压力和变形均有所增大。就其原因，主要是通水水头增大后，围岩的支护结构会受到更大的内水压力。因此，随着通水水头的增大，输水隧洞围岩更容易产生破坏，拱顶部位更为明显。

图2 不同围岩初始温度下温度应力变化曲线

图3 不同围岩初始温度下最大主应力变化曲线

图4 不同围岩初始温度下位移变化曲线

图5 不同通水温度下温度应力变化曲线

图6 不同通水温度下最大主应力变化曲线

图7 不同通水温度下位移变化曲线

计算部位通水水头/m渗流应力/MPa最大主应力/MPa位移/mm拱顶300.423-0.3030.331600.858-0.5960.301901.439-0.9860.262

续表3 不同通水水头下拱顶、洞底和侧墙应力和位移计算结果

4 结 论

针对观音阁输水工程输水隧洞部分洞段的高岩温、高地应力以及高内水压力问题对围岩支护结构的影响，利用热-流-固耦合模型和单因素分析方法展开研究，并获得如下主要结论：

1)增加输水隧洞围岩支护结构的厚度，可以有效降低温度荷载产生的拉应力以及支护结构变形，显著改善支护结构内部的受力情况。

2)输水隧洞围岩的初始温度越高，越不利于支护结构的安全，而提高通水温度有利于围岩支护结构的稳定。

3)随着通水水头的增大，输水隧洞围岩更容易产生破坏，拱顶部位更为明显。