黄土地层浸水工况对输水隧洞衬砌结构安全的影响

王俊华

(江西省水利水电建设集团,南昌 330000)

0 引 言

我国当前水资源储量丰富,但地域之间分布极不均衡,为此,各类引输水工程愈发常见,输水隧洞是引水工程中重要的建筑物。此类建筑物在复杂的地层中很容易因地层变化而引发衬砌结构力学性能的改变,进而对输水隧洞衬砌结构受力造成极为不利的影响,甚至引发输水隧洞衬砌结构渗漏、沉降过大、破坏。国内外学者对于输水隧洞衬砌结构渗漏及稳定的研究开始较早,成果颇丰,但大多集中在软弱地层及各种沉积岩、岩浆岩和变质岩地层方面,对黄土地区输水隧洞衬砌病害的研究较少。黄土对水环境改变十分敏感,黄土地层输水隧洞局部渗漏必然引起黄土地层含水率的改变,黄土含水率增大后强度降低,变形增大,地质条件恶化,进而对输水隧洞衬砌结构造成不利影响。

为深入研究黄土地区输水隧洞渗漏引发黄土地层浸水后对隧洞衬砌结构位移、沉降、应力等影响的程度及趋势规律,以具体输水隧洞工程为例,拟定出5种黄土地层浸水工况,并通过数值模拟技术对浸水黄土地层影响下输水隧洞衬砌结构力学行为展开分析探讨,以期为该工程及同类型地层条件下输水隧洞渗漏防护提供借鉴参考。

1 工程概况

某输水隧洞工程包括1条总干线和2条支线,支线又分成Y支线和S支线,其中S支线设计流量为1.3m3/s,输水线路全长35.8km,主要包括输水隧洞和压力管线等组成部分,沿线主要穿越侵蚀-剥蚀黄土梁峁地貌,黄土残垣及沟壑发育;隧洞洞身则处湿陷性黄土地层,输水隧洞埋深最大超60m。结合地勘报告,区域内黄土湿陷系数在0.02～0.03之间,虽为轻微湿陷,但考虑到黄土材料的特性,在输水隧洞运营期间如果发生渗漏并浸湿黄土地层,其较为稳定的性态便会发生改变,进而对隧洞结构稳定性造成不利影响[1]。此外,该输水管线采用有压输水形式,如若出现局部渗漏,必然引发地层湿陷以及输水隧洞衬砌结构破坏等连锁反应,在输水压力的持续作用下,对周围环境造成恶劣影响。为此,文章通过拟定输水隧洞不同位置渗漏工况,对有压输水管线渗漏引起黄土地层湿陷后隧洞结构受力以及地层沉降等过程展开模拟分析,确定出输水隧洞不同位置发生渗漏对隧洞衬砌结构影响的规律性,拟定出合理的控制方案,为黄土地层输水隧洞安全稳定运行提供保障。

2 模型构建

2.1 数值模型

在全面调查工程地质并分析地勘报告、展开相关试验的基础上,进行了该黄土地层输水隧洞岩体地质力学参数的选取与确定,具体见表1。

结合该输水隧洞几何参数取值,并应用MIDAS GTS NX有限元软件构建数值模型,隧洞直径10m,设置30cm厚的C30混凝土衬砌结构。在构建数值模型时应将模型边界和隧洞边界间的距离控制在洞径的3倍以上,以降低边界效应的不利影响。模型长×宽×高为100m×50m×60m,结合计算要求划分模型单元网格。设置模型荷载条件及边界约束。该模型荷载主要包括围岩岩体及隧洞衬砌结构自重;边界约束也就是对对模型位移及旋转所施加约束,具体包括模型左右侧x向、前后侧y向上下侧z向约束。周围围岩通过三维实体单元及Mohr-Coulom弹塑性模型展开模拟,衬砌结构材料则通过二维板单元及各向同性弹性模型进行模拟[2]。

2.2 计算工况

结合相关研究成果及初步分析结果,该输水隧洞四周10m范围内的围岩土体受黄土地层渗漏湿陷影响最为严重,故对该范围内岩土体区域进行了划分与编号。采用密模修正法展开输水隧洞周围湿陷性黄土局部渗漏对隧洞力学特征影响的分析,为保证分析结果的真实准确,分别对输水隧洞拱顶、拱腰、拱肩、拱脚、仰拱等部位局部渗漏展开分析[3]。该范围内拱顶、拱腰、拱肩、拱脚、仰拱处局部渗漏分析工况具体见表2。

表2 输水隧洞局部渗漏分析工况

3 输水隧洞力学行为分析

3.1 衬砌结构整体受力

根据《水工混凝土结构设计规范》、《水工隧洞设计规范》等相关规定,对于在渗流影响下易发生渗透变形、失稳的断层、破碎带、节理裂隙发育的不良地质洞段;遇水后极易膨胀、泥化、崩解、软化的不良地质洞段等,设计等级应提高一级,最高为Ⅰ级,并应同时加强衬砌结构防渗和止水处理[4]。为此,在该输水隧洞内力计算时,采用Ⅰ级的水工工程设计等级,在按受拉承载力确定素混凝土结构荷载效应基本组合时,安全系数取1.45。根据对隧洞初期支护弯矩图及轴力图的分析,该输水隧洞初期支护结构受力薄弱点位安全系数计算结果见表3,根据表中结果,该黄土地层浸水工况下输水隧洞初期支护结构安全系数符合规范。

表3 初期支护结构受力薄弱点位安全系数

为简化分析,此处忽略运营工况,仅计算检修情况下输水隧洞二衬结构受力情况,结合《水工混凝土结构设计规范》及该输水隧洞建筑物设计等级,在钢筋混凝土结构基本荷载组合下二衬安全系数取1.35,受力薄弱点位安全系数计算结果见表4。根据表中结果,输水隧洞二衬结构安全系数符合规范。

表4 二衬结构受力薄弱点位安全系数

3.2 输水隧洞水平位移

通过对该黄土地层浸水工况影响下输水隧洞局部渗漏水平位移云图的分析看出,隧洞不同区域局部渗漏所引发的水平位移均较小,且与渗漏发生前的状况相比,水平位移主要出现在两侧拱腰位置。在工况1下,拱顶出现局部渗漏后,两侧拱腰均在水平向向外侧呈一定程度的敞开态势,但水平位移量均未超出1.70mm;单侧拱肩、拱腰及拱脚出现局部渗漏后,两侧拱腰表现出小幅度位移。在工况5下,仰拱处出现局部渗漏,两侧拱腰均于水平向持续向内收缩,且水平收缩量位于0.82～0.94mm之间。其余工况下输水隧洞各部位均未出现明显的水平位移,故不予分析。综合以上结果可以看出,该输水隧洞黄土地层浸水后局部渗漏所引发的衬砌结构水平位移主要出现在拱腰,且水平位移值较小,故应将分析重点放在竖向位移及地表沉降等方面。

3.3 输水隧洞竖向位移

不同渗漏工况下输水隧洞围岩位移均主要表现为竖向位移,结合局部渗漏竖向位移云图及测点竖向位移值的模拟结果(表5)可以看出,黄土地层浸水工况下的输水隧洞竖向位移受局部渗漏的影响较大,且隧洞拱顶、拱肩、拱脚、拱腰及仰拱等处竖向位移均表现为下沉。当拱顶处表现出渗漏时(即工况1),输水隧洞其余部位位移均围绕隧洞轴线呈对称分布,最大位移(7.12mm)出现在拱顶处;拱肩、拱腰及拱脚处竖向位移取值均较为接近;仰拱处竖向位移最小,为3.40mm。当拱肩处出现渗漏时(即工况2),最大竖向位移(5.93mm)出现在拱肩,而拱顶、拱腰及拱脚处竖向位移值均较为接近,最小竖向位移(3.21mm)出现在仰拱处;当拱腰处出现渗漏时(即工况3),拱顶处竖向位移仅为3.55mm,最大竖向位移(4.53mm)出现在拱腰,最小竖向位移(2.80mm)仍发生在仰拱处;当拱脚处出现渗漏时(即工况4),拱脚处竖向位移最大,为4.93mm,拱顶与仰拱处竖向位移一致,且均为最小;当仰拱处出现渗漏时(即工况5),最大竖向位移(5.21mm)出现在仰拱处,其余部位竖向位移均相对较小[5]。

表5 输水隧洞局部渗漏竖向位移模拟结果 mm

通过汇总分析不同工况下输水隧洞竖向位移可以看出,在隧洞黄土地层浸水且出现局部渗漏后,渗漏处隧洞衬砌结构竖向位移取值最大,除仰拱处竖向位移值最小外,其余部位竖向位移值均较为接近。结合输水隧洞运行实际,拱顶发生渗漏的情况一般较为少见,故对出现渗漏问题的输水隧洞实施防护加固时,应以拱肩和拱脚为重点。

3.4 地表沉降

通过对该输水隧洞黄土地层浸水工况下局部渗漏区域地表沉降模拟结果的分析,可以得出该隧洞不同区域局部渗漏下的地表沉降值,具体见表6。由表可知,对于不同部位发生局部渗漏的输水隧洞而言,地表沉降存在较大差异;其中工况1拱顶出现渗漏、工况5仰拱发生渗漏,且均因渗漏位置关于隧洞轴线对称,地表沉降也围绕隧洞轴线而呈对称布置。隧洞侧拱肩、拱腰、拱脚发生渗漏后均会对地表沉降造成较大影响,且沉降量随渗漏位置埋深的增大而减小;最大沉降位置也随渗漏部位的改变而向渗漏侧移动。故在分析输水隧洞地表沉降受局部渗漏影响的过程中,必须加强对拱顶、拱肩、拱腰处渗漏的重点防护[6-7]。

3.5 衬砌结构应力

该输水隧洞不同区域黄土地层发生渗漏后衬砌结构应力监测结果见表7。根据对表中数据的分析,在该隧洞出现局部渗漏后,拱顶及仰拱周围以压应力为主,拱腰处则以拉应力为主。对于不同浸水工况,隧洞衬砌结构最大最小主应力取值也不尽相同,最大主应力出现在左侧拱腰处;最小主应力则出现在仰拱处,并随浸水位置的下移其量值呈减小趋势,表明黄土地层浸水工况对隧道衬砌结构的影响程度逐渐减小。

表6 输水隧洞局部渗漏地表沉降模拟结果 mm

表7 衬砌结构应力监测结果

在该输水隧洞拱顶出现渗漏后衬砌结构应力值最大,仰拱处出现渗漏后衬砌结构应力值最小;隧洞不同部位黄土地层浸水工况下的渗漏对衬砌结构应力的影响相差不大,且均会对拱顶和仰拱造成压应力,对拱腰造成拉应力。当输水隧洞单侧出现局部渗漏,则渗漏侧应力必将大于未渗漏侧应力。由此可见,输水隧洞局部渗漏必将引发渗漏侧衬砌结构较大应力,为保证输水隧洞衬砌结构安全,必须加强防护。

4 结 论

综上所述,黄土地层输水隧洞在运行过程中一旦发生渗漏,渗漏点位周围黄土因吸收水分后含水率及稳定性等均会发生改变,必然会对输水隧洞衬砌结构的安全性及稳定性造成不利影响。为此,通过数值模拟分析确定出可能的渗漏点位及区域的基础上,必须采取针对性强且有效的防护加固措施,为输水隧洞安全运行提供保证。就该工程而言,参照相关规范并借鉴类似工程施工经验,可以采用拱部超前小导管预支护、全环型钢钢架初支+喷层+系统锚杆+垫层、C30钢筋混凝土二衬等衬砌支护结构,衬砌加固效果有待进一步研究与验证。