基于衬砌混凝土等级对输水隧洞地震响应影响数值模拟

张 艳

(铁岭县水利事务服务中心,辽宁 铁岭 112600)

1 输水隧洞有限元模型

1.1 工程概况

柴河水库建于铁岭市境内辽河一级支流柴河的中下游,控制面积1355km2,总装机容量7430kW,总库容6.36亿m3,承担着重要防洪任务。隧洞控制桩号T0～090.36～T7+558.694和S21+550.000～S28+550.000,全长14649.43m。隧洞开挖选用钻爆法,属于有压圆形隧洞,直径3.9m。工程所在地基本烈度7度,位于地震活动比较频繁的营口～郯城地震带上。尽管铁岭市境内地震活动比较平静,也不能排除未来发生较大地震的可能。因此,研究地震响应与衬砌混凝土等级之间的关系非常重要,可以更好地了解输水隧洞在地震中的行为和响应,提高其抗震能力,并减少地震可能带来的灾害和损失。

1.2 隧洞建模

目前,比较常用的有限元软件既包含适用于分析程序,也具有前、后功能非常强大的处理模块,如ADINA、ASKA、ABAQUS和ANSYS等多种类型[1-3]。其中,ANSYS有限元分析确实是一款功能强大的计算软件,可以整合声场、磁场、电场、流体和结构等多个模块进行分析。对于构造工程的有限元模型,ANSYS软件具有较好的可行性和可靠性。

在研究分析输水隧洞地震响应过程中,许多学者利用有限元模型进行深入研究,并给出了关于计算边界的不同观点,常见的边界条件包括无限远边界、一致边界和阻尼边界等。在确定边界条件时,需要考虑模型的计算范围、复杂程度和计算手段等因素的限制,通常需要确定一定的横向计算宽度和竖向运算范围。根据相关研究成果和实际情况,文章以圆形输水隧洞洞径为3.9m为例,选取洞径十倍向左右延伸作为模型边界,上、下部取至地表及洞径的3倍。四周和底部采用法向刚性和固定约束,顶部为自由边界。衬砌与水体的接触面采用流固耦合界面。在建模过程中,使用PLANE42单元模拟隧洞周围的衬砌和岩体,使用RLUID29单元模拟隧洞内部的水体条件。模型计算节点共1340个,计算单元共1275个。监测点设置在仰拱、左右墙角、左右边墙、左右腰拱及拱顶部位等位置,如图1所示。

(a)第一主应力 (b)第三主应力

图1 输水隧洞监测点布设图

1.3 载入地震波

针对输水隧洞缺乏强震记录资料的情况,因此可以选择EL Centro记录的地震加速度。根据地震波加速图谱,确定前8秒的地震响应最大,并选择地震波幅值为0.15g的9度地震烈度进行模拟。针对这种情况,可以使用ANSYS等有限元分析软件对输水隧洞的应力应变特征进行分析,在不同方向的地震激励条件下,分析输水隧洞动力响应情况。在得出时程响应后,可根据失效准则或其他设计标准对输水隧洞的承载能力进行评估。然而,在进行有限元分析时,应准确地描述输水隧洞的几何形状、材料特性、约束和载荷条件等,并对模型进行验证和校验,以保证分析结果的可靠性和准确性[8]。另外,由于输水隧洞处于地下,在地震作用下,地表运动会向隧洞内传导,引起地下应变波动和水位变化等。因此,需要对地下水位、土体的物理参数和隧洞周围土体的变形特征等进行综合分析,以全面评估输水隧洞的抗震性能。根据有关研究成果和输水隧洞的实际特点选择瑞丽阻尼,并以经验值的5%作为临界阻尼比。

1.4 设置流固耦合方式

水利工程研究设计中的关键是分析固体与流体之间的相互动力作用,具体可以表现为两种基本形态:第一种形态是固体域与流体之间的相互重叠,其中最典型的问题是渗流,这种情况适用于比如水库、河流、地下水等涉及水流的工程;第二种形态是固体与流体域交界面上的耦合作用,在输水隧洞的地震响应中显然属于这种情况,需要考虑地震波通过土体作用于隧洞墙壁和水体,以及水体动力对土体的相互作用[9]。

对于流固耦合问题,主要有直接和顺序耦合,其中直接耦合是指同时求解固体和流体的动力方程,并通过耦合条件将两个领域的解耦合在一起;顺序耦合是指先求解固体的动力方程,然后将固体的响应作为边界条件输入流体方程进行求解。对于输水隧洞中的水体部分,研究选用FLUID29单元进行模拟,这是ANSYS软件中用于模拟流固耦合问题的元素。

1.5 计算参数

研究选取C25、C30、C40、C50等级的混凝土材料作为数值模拟对象,通过有限元分析模拟不同材料在地震作用下的响应情况,评估不同混凝土材料在地震荷载下的受力和变形特征,比较它们的承载能力和抗震性能,材料的力学性的如表1所示。

表1 材料力学性能

2 结果与分析

2.1 位移计算

模拟计算各个监测点在4种不同工况下的水平位移量,峰值如表2所示。结果显示,在不同的工况下,各监测点的水平位移峰值相差较小,说明输水隧洞在地震应力作用下的变形并不受增大衬砌刚度的抑制作用影响明显,即地震应力作用下,输水隧洞的变形主要受其他因素影响,例如地震波传播路径、地下水压力、支护结构等,而不是单纯受到衬砌混凝土等级的影响。

表2 水平位移峰值计算 mm

2.2 加速度计算

模拟计算各个监测点在4种不同工况下的水平加速度,计算的水平加速度峰值如表3所示。

表3 水平加速度峰值计算 m/s2

由表3可知,在不同的工况下,各监测点的水平加速度峰值相差较小,即增大衬砌混凝土的刚度对地震引起的水平加速度的抑制作用非常有限,主要受其他因素的影响,如地震波传播路径、基岩性质、地下水位等因素。同时,输水隧洞的刚度可能存在限制,以至于无法有效减小地震引起的水平加速度。

2.3 主应力计算

为进一步揭示地震响应受混凝土等级的影响规律,模拟各监测点的主应力峰值,如图1所示。

从图1可以看出,输水隧洞的墙角和拱腰部位在4种不同工况下均存在较大的主应力峰值,表明在地震应力作用下输水隧洞的墙角和拱腰部位比较薄弱;另外,各监测点的主应力峰值也随着输水隧洞衬砌混凝土等级的提高而增大。例如,对于输水隧洞的左墙角部位,衬砌C25混凝土时的第一、第三主应力为1.51MPa和1.58MPa,衬砌C30混凝土时的第一、第三主应力为1.60MPa和1.67MPa,与C25等级相比增幅达到5.96%和5.70%,衬砌C40混凝土时的第一、第三主应力为1.70MPa和1.74MPa,与C25等级相比增幅达到12.58%和10.13%,衬砌C50混凝土时的第一、第三主应力为1.78MPa和1.82MPa,与C25等级相比增幅达到17.88%和15.19%。

综上分析,在地震作用下,增大衬砌混凝土等级可以提高其刚度,并可能增加地震引起的应力大小。虽然衬砌混凝土刚度的提升可以增强输水隧洞结构的刚性,但混凝土自身具有脆性特征。脆性材料在地震载荷下容易发生破坏,因此仅仅通过提高衬砌混凝土的刚度并不能彻底改善输水隧洞的整体抗震性能。除了刚度,还需要综合考虑其他因素,如结构的几何形状、支护结构的稳定性、地震动的频率特性以及材料的耐震性等。为了提高输水隧洞的抗震性能,还需要考虑采取适当的增加结构刚度和强度、增加支护措施、合理布置监测设备等措施,综合分析和设计能够确保输水隧洞在地震作用下具有良好的安全性能。马宏伟等对圆形输水隧洞在地震波作用下的地震效应研究表明,输水隧洞衬砌承受的动水压力会随着混凝土等级的提升而减小,同时轴向与环向动应力也会增大,对输水隧洞整体抗震性能造成不利影响[10-12]。因此,本次研究结果与相关文献资料总体相近,输水隧洞衬砌应力会随着混凝土等级的提高而增大,对改善输水隧洞整体抗震性造成不利影响。通过采取外部抗震带等措施以及选择C25等级混凝土,可以保证输水隧洞的整体抗震稳定性。

3 结 论

文章采用ANSYS有限元分析法模拟研究了铁岭市境内柴河供水工程输水隧洞地震响应受衬砌混凝土等级的影响规律,主要结论如下:

1)虽然提高衬砌混凝土的等级可以增加其刚度并增大衬砌应力,但在地震条件下,这并不能显著改善输水隧洞的水平加速度和位移,反而可能对整体的抗震性能造成不利影响。因此,在设计和施工阶段,需要综合考虑其他因素,采取适当的结构加固和设计措施,以确保输水隧洞在地震条件下具有良好的安全性能。

2)在地震应力作用下输水隧洞的墙角和拱腰部位比较薄弱;另外,各监测点的主应力峰值也随着输水隧洞衬砌混凝土等级的提高而增大。通过采取外部抗震带等工程措施以及选用C25等级衬砌混凝土,有利于保证输水隧洞的整体抗震稳定性。