穿越膨胀岩地层输水隧洞衬砌结构地震响应分析

林永俊

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

1 工程背景

上英水库位于辽宁省海城市王石镇上英村境内，是辽宁省重要河流太子河支流五道河上的骨干性水利工程。水库坝址以上流域面积54km2，占全流域面积的19.3%。该水库属于Ⅲ等工程，大坝、溢洪道和输水洞等主要水工建筑物为3级。水库按照100年一遇洪水标准设计，1000年一遇洪水标准校核。水库的输水洞位于大坝右侧的山体中，其断面设计为单孔马蹄型断面隧洞，洞径2.0m，进口高程80m，出口高程78m，主洞全长398m。根据施工技术资料，输水洞周边的地质环境整体良好，仅在洞室的176m和326m部位存在两处断层，断层破碎带的宽度均在10m以上，同时，洞身区域分布有白垩纪地层，其岩性主要是砂岩、泥岩和砾岩，主要地层为砂岩夹泥岩，具有遇水膨胀特征。该区的地下水主要是裂隙水和孔隙水，可以为岩层的软化和膨胀提供丰富的水源条件。另一方面，海城市位于郯城-营口地震带上，在1975年2月4日发生7.3级强震，对周边的建筑物产生了严重的破坏性影响。因此，研究和分析穿越膨胀岩地层输水隧洞衬砌结构地震响应特征，对工程运行管理和安全维护具有重要意义。

2 有限元计算模型

2.1 模型的构建

FLAC是工程界常用的数值模拟计算软件，其计算原理是有限差分法，也就是拉格朗日连续介质法，其英文表述为Fast Lagrangian Analysis of Continua，FLAC为其首字母的缩写[1]。在模拟岩土体的本构模型中，邓肯-张模型得到了十分广泛的应用，但是该模型难以考虑中主应力效应的固有缺陷，计算获取的土体变形偏大[2]。基于此，此次模拟计算中参考相关文献，基于FLAC3D实现考虑中主应力效应的改进邓肯-张模型的二次开发，对背景工程衬砌结构地震响应进行模拟计算[3]。

在模型构建过程中，选择背景工程输水隧洞0+276.00—0+286.00洞段作为研究洞段，该段输水隧洞的埋深为28m左右。综合考虑计算结果的精度和准确性以及计算过程的简洁性和便捷性，地下洞室工程的模型计算范围一般为开挖洞径的3～5倍[4]。结合背景工程的设计方案，模型x轴方向的宽度为30m，y轴方向的长度为10m，z轴方向上的高度为30m，整个模型的尺寸为30m×30m×10m。对模型采用六面体八节点网格单元剖分，整个模型划分为163200个网格单元和171349个节点[5]。

图1 有限元模型示意图

2.2 边界条件和计算参数

结合研究的实际需要，对模型设置位移边界条件，其中模型的底部施加全位移约束条件，模型的两侧施加竖向位移条件，模型的顶部为自由边界条件，不施加位移约束[6]。结合相关的工程设计规范和背景工程的地质资料，确定表1的模型材料计算参数。

2.3 计算方法

在模拟计算过程中选择的是1940年美国Empire Volley区域记录的EI-Centro波，输入的动力荷载采用的是基本烈度为7度，峰值加速度为0.15g的50年水平上超越概率为0.1的水平地震波[7]。计算中的滤波和基线调整使用Seismo Signal软件[8]。在保证加速度的峰值以及频谱特征满足相关要求之后，在模型的水平和竖向同时输入地震荷载，两者的加速度的幅值比为1∶0.6，出于减少计算量和计算时间的考虑，仅截取15s的地震波，其加速度时程曲线如图2所示。出于节约计算时间的考虑，模型采用局部阻尼[9]。鉴于岩土体的临界阻尼比一般为0.01～0.05之间，此次研究计算将临界阻尼比确定为0.05，局部阻尼系数确定为0.157。

表1 模型材料计算参数

图2 地震波速度时程曲线

在模型计算完毕之后，在输水洞衬砌的内侧选取拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰、左拱脚、右拱脚、仰拱等8个监测点，对衬砌结构的位移、衬砌加速度响应和衬砌应力进行分析。为了研究地震作用下隧道的位于不同级别岩层的响应情况，设计3种计算工况，工况1为Ⅱ级围岩；工况2为Ⅲ级围岩，工况3为Ⅳ级围岩。

3 计算结果与分析

3.1 位移分析

利用构建的数值计算模型，对输水隧洞位于不同岩层位置时地震荷载作用下的位移情况进行计算，获得不同工况下各个监测点的位移值，结果见表2。从计算结果可以看出，在不同工况下，各个监测点的位移值变化特征基本一致，均为输水洞的拱顶部位位移值最大，仰拱部位的位移值最小，左右拱脚、左右拱腰以及左右拱肩的位移值基本相等。由此可见，在地震荷载的作用下，隧道不同位置的地震位移响应规律基本一致，主要表现为上部变形大于下部变形，且呈现出比较显著的左右对称特点。另一方面，不同计算工况的结果对比来看，工况3的位移计算结果最大，工况2次之，工况3的位移值最小。由此可见，围岩的等级对地震位移响应存在比较明显的影响，围岩等级越低，位移值越大。因此，在工程设计和建设中，针对输水隧洞穿越低围岩等级区域，应该提高围岩加固和衬砌质量，以提高输水隧洞工程的整体抗震能力。

表2 衬砌关键部位位移峰值计算结果 单位：mm

3.2 衬砌加速度响应分析

利用构建的数值计算模型，对输水隧洞位于不同岩层位置时地震荷载作用下的加速度响应情况进行计算，获得不同工况下各个监测点的加速度峰值，结果见表3。从计算结果可以看出，在不同计算工况下，加速度变化特征具有相似性，说明在地震作用下围岩等级不会对衬砌结构的加速度响应规律产生显著影响。具体来看，在输水隧洞的拱顶部位加速度的响应值最小，拱脚或仰拱部位加速度的响应值最大。另一方面，不同计算工况的加速度峰值存在一定的差异，说明输水隧洞围岩等级会对加速度响应值的大小产生一定的影响，输水隧洞围岩等级越高，加速度峰值响应值越小，围岩等级越低，加速度峰值响应值越大。

表3 衬砌关键部位加速度峰值计算结果 单位：cm/s2

3.3 衬砌应力分析

利用构建的有限元计算模型对输水隧洞衬砌结构在地震作用下的应力相应进行模拟计算，在计算结果中提取出各个监测点的第一主应力和第三主应力峰值，结果分别见表4—5。从计算结果可以看出，在3种计算工况下，输水隧洞衬砌结构的主应力峰值均呈现出比较明显的对称分布特征。其中仰拱部位的主应力峰值最小，拱脚部位的主应力峰值最大。由此可见，输水隧洞在地震作用下拱脚部位为薄弱点。从不同计算方案的结果对比来看，工况3的主应力峰值最大，方案2次之，方案1的主应力峰值最小，但是3种方案的主应力峰值比较接近差距并不明显。由此可见，围岩等级虽然对衬砌结构的主应力峰值存在一定的影响，但是影响并不明显。

表4 衬砌关键部位第一主应力峰值计算结果 单位：MPa

表5 衬砌关键部位第三主应力峰值计算结果 单位：MPa

4 结语

此次研究以具体工程为依托，利用数值模拟的方式探讨了穿越膨胀岩地层输水隧洞衬砌结构地震响应特征，并获得如下主要结论：

(1)在地震荷载作用下，输水隧洞衬砌结构上部的位移量相对较大，且呈现出比较显著的左右对称特点；围岩的等级越低，衬砌结构各部位的峰值位移量越大。

(2)在地震荷载作用下，输水隧洞衬砌结构上部的加速度峰值相对较大，且呈现出比较显著的左右对称特点；围岩的等级越低，衬砌结构各部位的加速度峰值越大。

(3)在地震荷载作用下，输水隧洞衬砌拱脚部位的主应力峰值较大；围岩等级对主应力峰值的影响不明显。