引水工程围岩TM耦合下应力位移场影响分析研究

范俊强

(运城市水利勘察院有限公司，山西 运城 044000)

水利工程中常遇到工程地质环境较复杂工况，对工程建设施工具有负面影响，例如高地应力[1]、高埋深[2]、高海拔[3]、高地温[4]等复杂地质环境。为此，针对性解决复杂环境工况中水利工程安全稳定性加固设计、规律分析等具有重要指导意义。姚可夫等[5]、陶磊等[6]、王俊[7]根据工程建设中应力、变形等参数变化，设计布设有微震、声发射等监测设备，根据微观数据监测过程变化规律，为工程预判失稳及针对性加固设计等提供重要参照。另一方面，复杂地质环境中最终发生失稳破坏的仍然与工程岩土体有关，因而一些学者根据工程现场采样、制样，开展室内力学试验研究，分析岩土体在渗透试验、力学破坏试验中特征，为研讨岩土力学稳定性提供佐证[8-9]。数值计算是一种直接性、高效性研究手段，根据工程受扰动部位岩土体状态，建立相应计算模型，施加边界荷载，计算获得扰动岩土体在时空中变化与分布特征，极大丰富了复杂耦合工况中工程稳定性研究成果[9-10]。本文根据晋北水库引水隧洞穿越高地温环境下，围岩扰动与布设衬砌过程中仿真模型，获得应力、位移变化特征，探讨TM耦合效应下热作用、扰动作用对围岩稳定性影响。

1 工程概况

1.1 工程资料

晋北黄河支流考虑建设水库枢纽工程，但由于地表引水渠道设施流量较低、坡度较缓等现象，考虑建设一深埋引水隧洞，但根据勘察得知水库引水隧洞所在地区属高地温，最大温度超过100 ℃，设计隧洞断面直径为2.8 m，隧洞渠首流量控制为15 m3/s。该水库设计库容量为1.5亿m3，承担着防洪、灌溉、蓄水等作用，所涉及的枢纽工程包括有溢洪道、防洪大坝、引水隧洞等结构，其中溢洪道围堰顶部高程为85.8 m，坝体轴线长度为658.0 m，顶宽为3.8 m，坝体设置有高度为1.5 m的防浪墙，整体坝身渗透活跃性较稳定，归功于溢洪道边墙整体稳定性以及坝体自身防渗系统安全性。隧洞乃是水库水资源调度的重要一环，为提升水库水资源调控水平，在隧洞与水库间设置有一中型水闸，闸室高程为75.8 m，采用弧形钢闸门，直径为3.2 m，建设有横、纵连系梁作为闸墩加固结构，其中横梁截面为半圆弧型，高度为1.2 m，纵梁尺寸为3.5 m×3.0 m，闸室基础采用灌注桩设计，从闸墩、闸室静力稳定性角度考虑，安全性均较佳。引水隧洞作为穿越高地温条件水利工程，全长252 m，埋深超过100 m，围岩体主要为大理岩，其围岩稳定性乃是工程开挖施工重要因素，因而设计部门研究采用支护衬砌方式对围岩进行加固，降低工程施工行为以及后期隧洞运营阶段对围岩应力稳定场的影响。目前，由于引水隧洞温度场热效应与围岩应力扰动效应耦合下，围岩、衬砌结构等均出现不稳定应力，局部区域甚至出现张拉应力，此对引水隧洞工程长期稳定运营具有严重影响，故而本文依据隧洞穿越高地温条件下的围岩热固(TM)耦合场特征，分析围压力学稳定性影响特征，为工程设计提供指导。

1.2 工程仿真

为分析方便，本文对隧洞K1+125～K1+175断面围岩开展仿真分析，模拟隧洞开挖时间为120 d，围压所在断面长度为50 m，埋深为150 m，围岩应力影响范围分布为30 m×30 m，矩形截面，此亦为模拟计算围岩应力影响分布范围。衬砌层厚度为0.5 m，围岩截面温度设定为100 ℃，衬砌温度为20 ℃，采用ABAQUS对几何模型进行网格划分，设置单元网格有温度场、静力场等，共获得网格单元数12 580个，节点数86 872个[11-12]，其有限元模型如图1所示。

图1 隧洞围岩有限元模型

由于不同温度下围岩热效应有所差异，所选定的温度效应参数也会有所影响，因而本文研究TM耦合下围岩力学特征主要通过变换温度场参数来模拟计算，按照引水隧洞所处高地温环境，本文温度场设定温度分别为25 ℃、40 ℃、55 ℃、70 ℃、85 ℃、100 ℃，每个温度场下温度系数、围岩物理力学参数均有所差异，按照岩石热效应下实测参数取值。

2 围岩TM耦合下应力位移场时间特征

2.1 应力变化特征

根据工程环境耦合状态计算隧洞围岩应力场随时间变化特征，本文选取围岩拱顶部位距离0 m(A点)、10 m(B点)、20 m(C点)、30 m(D点)、40 m(E点)、50 m(F点)的特征点应力随时间分布特征，如图2所示。从图中可看出，拱顶各特征点均为张拉应力，最大拉应力为F点，达3.4 MPa；当时间递进时，应力呈“降低-波动-稳定”三阶段特征，当与拱顶距离愈远时，各阶段应力持续或影响时间更久，B点应力降低阶段持续16 d，而D、F点同一阶段结束时间分别在47 d、68 d。分析各阶段应力变化特征可知，在应力降低阶段，距离愈远，降幅愈小，A点该阶段应力降幅为8.2%，而C、E、F点降幅分别为5.9%、5.3%、4.7%，表明围岩应力随时间变化特征受断面距离影响，距离愈大，则围岩受扰动影响愈小；笔者分析认为应力阶段降低主要是初始开挖产生的较大拉应力集中在围岩上，但随施工进行，其拉应力分布面会逐步扩散，表现在拉应力值降低态势[13-14]。当进入应力波动阶段后，此时围岩已开始设置衬砌，拉应力传递至衬砌结构上，降低了围岩拉应力集中效应，此过程在各距离特征点中均有体现，且各特征点在该阶段波动幅度基本相近，A、C、E点波动幅度分别为19.5%、20.1%、20.1%。当衬砌结构稳定后，此时施工扰动围岩引起的张拉应力由围岩与衬砌结构共同承担，拉应力处于逐步稳定状态，且随距离愈远，拉应力稳定值愈大，此与衬砌效应对远距离特征点影响较弱有关，A特征点应力稳定在1.57 MPa，而B、D、F特征点应力较前者分别增大了4.6%、10.9%、28.1%，当与拱顶距离增大10 m，各特征点受衬砌效应产生的应力稳定值平均增大5.2%。

图2 特征点应力随时间分布特征

2.2 位移变化特征

图3为围岩拱顶距离上各特征点位移随时间变化关系。从图中可知，各特征点位移随时间为“缓增-陡增-稳定”三阶段变化特征，当距离愈大时，各阶段持续时间更长，受围岩扰动及衬砌效应更弱。在位移缓增阶段，A～F点持续时间为3～66 d，以距离愈远特征点位移值更大，A点缓增阶段达0.73 mm，而C、E、F点位移值较前者分别增大了6.5%、7.8%、15.2%，该阶段主要受初期施工扰动影响，位移值处于缓慢上升过程；当施加衬砌后，在短期内衬砌结构位移变化与围岩位移传递，造成围岩各特征点位移陡增，特征点B、D、F陡增幅度分别可达1.92倍、1.67倍、1.80倍。在此之后，衬砌结构稳定后，产生较好衬砌效应，此时位移值处于较稳定状态，且以距离较远的特征点位移稳定值更大，F点位移稳定值为2.7 mm，而A、C、E点较之前者分别减少了17.2%、8.0%、3.5%，距离较远的特征点进入位移稳定阶段的时间更为滞后，此与衬砌结构在围岩断面距离上传递效果乃是减弱的过程。

图3 特征点位移随时间分布特征

3 围岩TM耦合下应力位移场温度效应

为分析穿越高地温环境下围岩静力场温度效应，设计开展不同温度环境下的围岩静力场分析，评价温度热作用对围岩应力、位移影响特征。

3.1 应力变化特征

根据工况耦合计算获得围岩不同温度下应力变化特征，如图4所示。从图中可看出，围岩主应力与温度为负相关关系，在相同时间15 d时温度25 ℃下最大主应力为3.24 MPa，而温度55 ℃、85 ℃、100 ℃主应力相比前者分别减少了5.3%、9.6%、15.5%，即温度愈高，围岩主应力愈低。分析认为，围岩开挖扰动形成的应力重分布在温度较高环境下，更快达到平衡状态，无显著张拉应力集中效应，主应力稳定性更佳[15-16]。分析各温度环境下应力随时间变化可知，主应力均呈先减后增，最终稳定变化，且各温度工况下应力最低点均对应时间5 d，表明温度改变，衬砌结构对主应力影响并不减弱；各温度工况在稳定阶段均处于稳定状态，当衬砌结构与围岩达到支护效果后，主应力较稳定，温度仅影响稳定阶段主应力水平，但不影响主应力变化态势，该阶段中热作用每增大15 ℃，主应力平均降幅为4.2%。各温度工况进入应力稳定阶段节点基本一致，在20 d，从主应力最低点升高至稳定阶段，温度愈高，则增幅愈小；表明温度热效应对应力变化态势过程中幅度差异影响较小。

图4 围岩不同温度下应力变化特征

3.2 位移变化特征

图5为不同温度环境下围岩位移随时间变化特征。从图中可看出，各工况下围岩位移呈“递增-稳定”两阶段特征，当温度愈高，则位移愈大，在20 d时，温度25 ℃下位移为0.35 mm，而温度为55 ℃、100 ℃时位移较之前者分别增长了14.5%、57.0%，表明围岩施工期位移与温度为正相关关系。当衬砌结构初步由初期非稳定状态逐步产生加固效果后，围岩断面上位移逐步稳定，各温度工况下进入位移稳定阶段时间节点基本一致，为第45天，在该阶段后位移波动幅度较小，各温度工况最大波动幅度不超过1%。在位移稳定阶段中温度25 ℃位移为0.37 mm，而温度为55 ℃、85 ℃、100 ℃时位移较之前者分别有19.5%、43.9%、61.2%涨幅，从整体变化可知，温度增大15 ℃，稳定阶段中位移水平可提高10.6%。综上分析可知，温度改变，围岩受扰动位移变化基本无显著差异，不论是阶段节点抑或是变化态势，但温度影响了位移水平，且为正向促进效应。

图5 围岩不同温度下位移变化特征

4 结 论

本文主要得到以下几点结论：

(1)各特征点应力呈“应力降低-应力波动-应力稳定”三阶段变化；应力降低阶段，距离愈远，降幅愈小；应力稳定阶段，距离愈远，稳定拉应力愈大，拱顶特征点距离增大10m，稳定拉应力平均增幅5.2%；

(2)各特征点位移随时间为“缓增-陡增-稳定”三阶段变化，距离愈大，则围岩扰动及衬砌效应愈弱、进入位移稳定阶段更为滞后。

(3)围岩主应力水平与温度为负相关，但温度变化不影响衬砌效果，也不影响主应力变化态势，仅影响主应力量值水平，温度每增大15 ℃，稳定阶段主应力平均降幅为4.2%。

(4)温度愈高，围岩位移愈大，但围岩位移进入稳定阶段时间节点均为第45天，温度增大仅改变了位移量值，增大15 ℃，稳定阶段中位移水平可提高10.6%。