高岩温引水隧洞支护结构稳定性分析

王屹久

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

我国水资源丰富，但分布不均衡，长距离引水调水工程越来越为生产生活实际所需要。隧洞输水在输水工程中应用广泛，但是由于输水隧洞具有埋深大、线路长等特点，需要克服高地应力、高渗压和高地应力等问题。为解决这些问题，诸多学者进行了多方面的研究。

齐凯[1]利用Flac3D有限元模型对研究洞段围岩开挖支护稳定性进行数值模拟分析，并给出了具体的支护建议。盛亮[2]以白石引水隧洞Ⅳ类围岩洞段为例对研究洞段围岩开挖支护稳定性进行数值模拟分析，其研究发现应对埋深50m以上的洞段进行强化支护。卞康等[3]基于弹性损伤理论和等效连续介质渗流理论，提出一种可以在高压水工隧洞衬砌开裂后估算隧洞渗水量的方法。周富强[4]研究通过衬砌结构最大主应力、位移和塑性应变现场监测数据的分析，获得了高地温条件下水工隧洞衬砌结构的应力、位移和塑性应变的变化规律。余涛[5]研究高压输水隧洞帷幕体防渗性能，建立基于渗流场、化学场及帷幕体微观结构等多物理场耦合的数值模型，采用FEM数值法求解并结合工程监测数据对模型进行验证。发现帷幕体在高水头长期侵蚀与溶解作用下，抗渗性和耐久持续衰减，帷幕体溶蚀具有时空变异特性。杨斌[6]以辽宁省大风口水库新建输水隧洞为例，利用ABQUS软件进行有限元建模，分析了渗流作用下围岩变形和受力情况以及衬砌结构受力情况，结果显示拱腰部位水平应力较大而仰拱和拱顶部位竖向应力较大。李昕[7]和计红燕[8]以辽宁省观音阁水库输水工程的输水隧洞衬砌施工为例，利用ANSYS大型通用有限元软件，对输水隧洞衬砌混凝土施工和运行期间的温度应力变化进行了重点分析。

以水库引水隧洞工程为研究对象，通过有限元软件建立数值模型，模拟引水隧洞区段穿越高温岩层。分析了水头大小、初始围岩温度、水温以及支护结构厚度4个敏感参数对围岩以及支护结构稳定性的影响。

1 工程背景

某水库引水隧洞工程的建设对该城市生活用水十分重要，引水隧洞工程所穿越的地区地质条件复杂，尤其是部分引水隧洞区段穿越高温岩层。引水隧洞工程所穿越高温岩层的温度最高可达100℃，引水隧洞内部岩体温度不低于28℃，洞内湿气大，为缺氧环境。引水隧洞运营期，引水隧洞内部温度、地应力和内水压力的相互作用对隧洞支护结构及围岩有显著影响。隧洞穿越高温岩层区段，支护结构及围岩由于隧道内高梯度的温度场的影响，会产生收缩变形进而引起破坏，而隧洞外侧围岩由于内外温差产生高应力进而引起开裂[9- 10]。水流沿着围岩裂缝渗入围岩内部从而引起水力劈裂现象，这对引水隧洞的稳定性具有不利影响。

2 温度-渗流-应力耦合模型

2.1 计算原理

通过求解能量守恒方程、动量守恒方程和质量守恒方程来分析温度-渗流-应力耦合过程[9- 11]，方程式如下式(1)-(3):

能量守恒方程：

(1)

动量守恒方程:

(2)

(3)

式(1)-(3)中不同变量的含义见表1。式(1)-(3)构成了温度-渗流-应力耦合模型的控制方程，其中位移矢量、孔隙率、孔隙水压力以及温度为基本变量。

表1 式(1)-(3)中不同变量的含义

2.2 数值模型

依据现场勘查资料可知，引水隧洞周边围岩等级多为Ⅱ级，局部区段的围岩等级为Ⅲ级和Ⅳ级，隧洞周边的围岩具有较好的完整性，岩石硬度较高，周边围岩以花岗岩麻岩为主，由于围岩具有较好的完整性，喷射等级为C30的混凝土作为围岩支护结构。利用有限元软件建立引水隧洞数值模型，模型宽度和高度均为30m，引水隧洞设计为城门洞型截面，隧洞洞泾为4.8m。用四面体对模型进行网格划分，对隧洞周边网格进行局部加密，模型共5681个单元，6235个节点。模型边界条件：模型底部为固定约束，模型四周为法向约束，模型顶部为自由边界。引水隧洞模型图如图1所示。

图1 引水隧洞模型图

2.3 模拟方案

引水隧洞在正常输水后，隧洞周边围岩受力状况较为复杂，且对支护结构稳定性的影响因素众多。本文主要研究水头大小、初始围岩温度、水温以及支护结构厚度4个敏感参数对围岩以及支护结构稳定性的影响。不同工况方案见表2。

表2 不同工况方案

3 影响因素分析

3.1 支护结构厚度

为研究支护结构厚度对引水隧洞不同位置受力变形的影响，不同厚度下隧洞侧墙、拱底以及拱顶处的应力及位移见表3。

从表3中可以看出，支护结构厚度对隧洞侧墙和拱底处支护结构的最大主应力影响最为显著，对拱顶处支护结构的最大主应力影响最小。不同隧洞部位处的最大主应力在不同支护结构厚度下均处于受压状态，并且随着支护厚度的增加，压应力也在增加。对于支护结构的变形，随着支护厚度的增加，不同隧洞部位处的变形逐渐减小，且不同隧洞位置的变形量接近，隧洞侧墙处支护结构的变形最大，拱顶处支护结构的变形次之，拱底处支护结构的变形最小。另一方面，增加支护结构的厚度，围岩内部温度梯度也逐渐变大，从而减小温度拉应力。综上所述，当引水隧洞正常输水后，增加支护结构的厚度可以限制支护结构的变形，提升引水隧洞的稳定性和安全性。

表3 不同部位隧洞应力和位移

3.2 初始围岩温度

为研究初始围岩温度对引水隧洞不同位置受力变形的影响，温度应力、最大主应力、位移随初始围岩温度的变化曲线如图2—4所示，并给出了隧洞侧墙、拱底以及拱顶的结果。从图中可以看出，随着围岩温度的提升，不同位置处支护结构的应力及变形均逐渐增大。当初始围岩温度达到100℃时，支护结构在隧洞拱底出现拉应力峰值。当温度从60℃提升至100℃时，不同部位处的变形也显著变大，最大变形差值为0.25mm。综上所述，降低引水隧洞内部初始围岩温度能有效限制支护结构的受力变形；反之，引水隧洞的稳定性和安全性越差。

图2 温度应力变化曲线

图3 最大主应力变化曲线

图4 位移变化曲线

3.3 水温

为研究水温对引水隧洞不同位置受力变形的影响，温度应力、最大主应力、位移随水温的变化曲线如图5—7所示，并给出了隧洞侧墙、拱底以及拱顶的结果。从图中可以看出，引水隧洞内部水温对隧道不同位置应力无显著影响。当水温为10℃时，隧洞侧墙处发生应力峰值，其值为0.52MPa。提升引水隧洞内部水温能有效限制隧洞和支护结构变形。这是因为提升水温减小了隧洞内外温差。

图5 温度应力变化曲线

图6 最大主应力变化曲线

图7 位移变化曲线

3.4 水头

为研究水头大小对引水隧洞不同位置受力变形的影响，温度应力、最大主应力、位移随水头的变化曲线见表4，并给出了隧洞侧墙、拱底以及拱顶的结果。从表中可以看出，提升输水的水头，引水隧洞支护结构的变形和渗流力逐渐增大。这是因为提升通水水头，隧洞内部承受的内水压力增加，进而增加了隧洞变形，严重时引起破坏。

表4 不同通水水头下拱顶、洞底和侧墙应力、位移计算结果

4 结论

通过有限元软件建立数值模型，模拟引水隧洞区段穿越高温岩层。分析了水头大小、初始围岩温度、水温以及支护结构厚度敏感参数对围岩及支护结构稳定性影响。主要得到以下结论：当引水隧洞正常输水后，增加支护结构的厚度可减少支护结构的变形，提升引水隧洞的稳定性；降低引水隧洞内部初始围岩温度能减少支护结构的变形；反之，引水隧洞的稳定性越差；提升引水隧洞内部水温能减小隧洞内外温差，减少隧洞和支护结构变形；提升通水水头，隧洞内承受的内水压力增加，增加隧洞变形，严重时引起破坏。