非线性有限元法在有压输水隧洞断面选型及结构设计中的应用.pdf

第9 期2023年9 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)0 9-0 150-0 4陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.9September,2023非线性有限元法在有压输水隧洞断面选型及结构设计中的应用李哲（中国电建集团港航建设有限公司，天津30 0 450）【摘要合理的隧洞断面型式和支护结构对隧洞围岩稳定及安全运行具有重要的保障作用。松阳县水系连通工程新建黄南水库至谢村源输水隧洞采用有压输水，线路地质条件优良，从施工便利性、支护可靠性等方面考虑，综合其受力条件、施工条件和可比投资，选取城门洞形断面，采用非线性有限元法验证隧洞结构设计型式的合理性。【关键词输水隧洞；断面形式；结构设计；松阳县中图分类号TU457文献标识码B隧洞输水是水电站、水利枢纽、引调水和供水工程中大流量输水最常见的型式。实践表明，隧洞断面形状对调整围岩施工期和运行期的应力重分布，降低集中应力，保持围岩稳定具有显著的影响。因此，隧洞输水工程选择合理的断面和结构支护型式具有重要的工程价值和经济效益。对于城门洞或马蹄形等非圆形输水隧洞断面，采用结构力学法对其进行计算不再符合要求。同时，在大型工程中，鉴于地质条件比较复杂，本构一关系呈非线性，围岩也是各项异性，因此采用非线性有限元法可很好地解决此类隧洞结构计算问题。松阳水网松古平原水系综合治理工程位于浙江省丽水市松阳县境内。拟通过开展水系连通工程、中小流域生态修复工程、防洪排涝工程、景观提升工程等，打造集防洪保安网、资源配置网、幸福河湖网和智慧水利网于一体的“松阳水网”。本文以水系综合治理工程黄南水库至谢村源输水工程为例，在对隧道沿线工程地质条件和输水流量分析的基础上开展断面设计选型，采用非线性有限元法计算验证隧洞结构设计的合理性。1工程概况黄南水库至谢村源输水工程是松阳水网水系连通工程的组成部分，设计引水流量9.5m/s。隧洞沿线基岩主要为变质晶屑玻屑凝灰岩、晶屑玻屑弱熔结凝灰岩、流纹质含角砾玻屑凝灰岩等，新鲜岩石多为坚硬岩，呈厚层块状结构。隧洞围岩完整性总体为一般较好，以I类为主。隧洞I 类围岩约占7 0%8 0%,IVV类围岩约占20%30%。2隧洞型式工程为有压输水，从水力学角度分析圆形断面最优，但如果隧洞轴线所处的工程地质条件优良，内水压力不大时，为洞内运输和钻爆方便，支护简易，也可采用马蹄形或城门洞型断面。因此，黄南水库至谢村源输水工程隧洞拟以IV类围岩为代表选用圆形、城门洞型和平底马蹄形三种断面，按照等断面面积进行比较分析。2.1各断面结构设计型式圆形断面IV类围岩采用系统砂浆锚杆（L=2.25m，间排距1m）挂网喷C25F50混凝土厚15cm）I 14工字钢间距1m,C25W4F50钢筋混凝土衬砌厚度为0.3m；局部区域顶拱范围内采用中孔自进锚杆超前支护。城门洞形断面方案开挖直径3.5m，I V 类围岩采用系统砂浆锚杆（L=2.25m，间排距1m）、挂网喷C25F50混凝土（厚15cm）、I 14工字钢间距1mC25W4F50钢筋混凝土衬砌厚度为0.3m；局部区域顶拱范围内采用中孔自进锚杆超前支护。平底马蹄形断面方案开挖直径3.6 m，I V 类围岩采用系统砂浆锚杆（L=2.25m，间排距1m）、挂网喷C25F50混凝土（厚15cm）、I 14工字钢间距1m,C25W4F50钢筋混凝土衬砌厚度为0.3m；局部区域顶拱范围内采用中孔自进锚杆超前支护。2.2断面型式比选2.2.1投资分析以类V类围岩为典型，计算圆形断面、城门洞形和平底马蹄形断面单公里工程量及投资，见表1。其中，类、IV类、V类围岩长度占比分别为7 0%、2 0%和10%。收稿日期2 0 2 3-0 4-13作者简介李哲（19 9 1-），男，河南平顶山人，工程师，主要从事港口航道与海岸工程相关工作。:150第9 期2023年9 月项目名称砼衬砌段工程石方洞挖C20喷砼(厚15cm)C20 喷砼(厚 18 cm)C25W4F50砼底板（厚2 0 cm）C25W4F50钢筋砼衬砌（厚30 cm）挂网钢筋（o815cm15cm）系统砂浆锚杆，25,L=2.25m钢筋制安116钢拱架支撑（间距1.0 m）SD27N中空注浆锚杆超前支护25锁脚砂浆锚杆，L=3m固结灌浆回填灌浆2.2.2施工条件分析城门洞形断面对于施工阶段材料运输和出渣最有利，马蹄形断面因为平底，其运输条件也可接收。圆形断面相较于前两者施工条件最差，对工期会产生一定影响。2.2.3综合比较三种隧洞断面型式综合比较见表2。表2隧洞断面型式综合比较表圆形断面城门洞形断面平底马蹄形断方案(方案一）(方案二）受力条件最好施工条件较差单公里可比投资/万元962比选结论比较方案推荐方案由表2 可知，各断面型式投资相差不大，圆形断面隧洞虽然结构受力和水力输运条件最好，但施工条件不变，工期会受较大影响。城门洞型断面施工便利，材料运输及除渣条件最好虽然结构受力条件相对较差，但经过支护后能够满足设计要求，不会对隧洞的安全运行产生影响。综上所述，隧洞型式推荐采用城门洞形断面型式。2.3丝结构设计计算2.3.1非线性有限元法计算原理初始应力迭代法应用于隧洞计算的相关过程如下：(0(8)=(P(8)+(f)=K(8)()=(F)设材料切线弹性矩阵为 D。可得线弹性应力为：(o,.l=D,J(dx由=AX+P引进初始应力(oo)得出：ds(ol=Dl(s)-f(s)则该单元点的荷载是：(P)=-B(o)dvV陕西水利Shaanxi Water Resources表1隧洞各断面型式单公里可比投资表城门洞形断面单位单价m230.35m1121.74m1242.65m1401.28m6570.17t6887.64根91.31t8744.07t340.56根116.88根227.45m119.30m230.35面(方案二)次之次之最好较好982993比较方案No.9September,2023单位：元圆形断面马蹄形断面数量合计982006012034277203214521628766578718252880123312616610906481711709099009039694034976312834369381100128568165037529355065615120342772032其中,V为面积；B为单元应变矩阵集合节点周围的单元，得：(P)-Z(P)=Z JB(a)dv由此可得出，初始应力迭代法的计算步骤为：(1)第一次计算位移近似值（8)为(8=Ko-1(Po)其中：(Po为原始荷载；K为刚度矩阵(2)由第一次计算位移近似值求应变(8 ,得初应力(ooli=D,l(sil-f(s l)（3）计算初始应力所得节点失衡力为(Pol=B(o)dV（4)改变位移值，计算相应的位移增量（8 l：(48.=Ko（5)第二次求位移近似值，得(82=(8.1+(48,)（6)对（1）（5）进行循环代，直至求得满足条件的最小（48.的值。2.3.2荷载组合对有压城门洞形隧洞进行结构计算，计算荷载组合及其作用分项系数分别见表3，不考虑温度应力和灌浆压力。表3隧洞钢筋混凝土衬砌计算荷载组合表岩石衬砌静水动水地下水设计状况计算工况压力自重压力压力压力持久状况有压运行工况VVV工工况短暂状况检修工况采用本工程P=0.05%水位335.56 m进行计算内压水头。由于供水调度运行过程中，流量可能为4.7 5m/s9.5m/s,因此本阶段内水压力不考虑水头损失。考虑地下水位高，外水.151数量11743154319010181681999004212831100165060511743合计96173012705000173084523610414265031103789130865903969367251436938128568375293721772705000V数量1221015185038801721799004213751100165057812210合计99330192812574170280162505312331261130069117090903969367251468270128568375293689552812574VV第9 期2023年9 月压力按10 0 m净水头考虑，折减系数取0.2。以最大内压水头计算，隧洞出口衬后底高程为2 59.9 5m，钢衬段起始断面进行计算，见表4。表4水压力参数表设计底板高水库水位内水压力外水压力外水压力计算工况状况程/m高程/m水头/m水头/m折减系数持久有压运行状况工况259.95 335.56短暂竣工工况259.95工况检修工况259.95由于隧洞结构安全级别为级，因此结构重要性系数为为1.0，城门洞隧洞结构系数取值为1.2。外水压力折减系数为0.2，由于流速小，本阶段不考虑洞内动水压力。2.3.3围岩压力垂直均布压力：9vk=(0.20.3)r B式中：qk为垂直均布压力标准值,kN/m；B 为洞室开挖宽度,m；r 为岩体重度,kN/m。水平均布压力：9hk=(0.050.1)r H式中：Qik为水平均布压力标准值，kN/m；H 为洞室开挖高度,m。2.4结构应力计算结果选取推荐的城门洞形断面IV类围岩进行结构受力分析，以梁单元模拟混凝土衬砌，弹簧单元模拟围岩及衬砌间的相互作用。分别计算衬砌在运行期（内水压力为2 2 m净水头）及检修期(外水压力为10 0 m净水头)隧洞衬砌受力变化情况。计算成果见图1 图4和表5。LINESTRESSSTEP=1SUB=1TIME=1MIMUMIN=-26110NKWB=178MAX=36368ELEM=24426110-12226-19168-5284图1隧洞运行期轴力图（N）LINESTRESSANSYSSTEP-=1SEP.72020SUB=1TIME=1MIMJMIN=303881ELEM=199MAX=52089ELEM=22303881224777-14567266568264329-1852251061202701652089图2隧洞运行期弯矩图（Nm）152陕西水利Shaanxi WaterResources75.611000000SEP7202011:21:00165815542294268600224843636810:39:3812537No.9September,2023LINESTRESSANSYSSTEP=1SEP.72020SUB=111:20:19TIME=1MIMJMIN=-4865NKWB=157MAX=1693ELEM=1900.2-4865-41361000.21000.2ANSYS-3467-2678-1221图3隧洞检修期轴力图（N）LINESTRESSANSYSSTEP=1SEP.72020SUB=110:39:00TIME=1MIMJMIN=-23200NKWB=188MAX=77851ELEM=15623200744.35421711-1197210483图4隧洞检修期弯矩图（Nm）表5隧洞典型断面内力统计表运行期检修期统计部位剪力轴力弯矩剪力轴力弯矩/kN/kN/(kN m)顶部-2.6229.43侧边-7.8822.48底部中点-2.65-26.11底部脚点-23.6329.43承载能力极限状态设计为：KSR通过计算，得出各类围岩段的隧洞裂缝计算成果见表6。根据结果可以看出，各类围岩条件下的隧洞裂缝均小于允许裂缝宽度值0.30 mm，满足结构设计要求。表6隧洞的裂缝计算成果表顶拱拱脚直墙直墙围岩内外工况单中心条件层持久IV、内层工况V类围岩外层短皙工况mm00000.230.230.230.25可见，城门洞型断面在运行期和检修期均具有较好的受力特性，能够保证工程的安全运行。3结语本文以黄南水库至谢村源输水工程输水隧洞断面及结构设计为研究内容，采用工程比选分析和数值计算为手段开展研究，主要结论如下：-1950492.624964.725236.09116964416766623329395539577951/kN/kN/(kN m)-0.49-34.12-106.120.96-34.12-185.23-11.97-1.95-102.35-66.57-4.86307.06-303.88底板最大中心直墙底板中心允许位点顶点底点端点点点mm0.230.230.24 0.220.220.220.220.2521.7110.4877.85点值第9 期2023年9 月（1)各断面型式投资相差不大，但是基于工程地质条件和水力输送方式，圆形和马蹄形断面受力条件好的特点无法体现，反而施工条件成为最主要的制约因素，因此推荐的城门洞型成为最优方案。（2）基于非线性有限元仿真，从城门洞型断面衬砌、支护受力特征分析表明其受力条件完全满足施工期和运行期结构安全要求。陕西水利Shaanxi Water Resources（3）对于城门洞型等非圆断面形式隧洞，结构力学法计算精度无法满足要求，非线性有限元法对隧洞结构建立弹塑性数值模型，对内力进行计算分析，偏差较小，符合精度要求。1吴正桥，张雨霆，黄书岭，等.大断面盾构输水隧洞结构受力特征与选型研究 J.人民长江，2 0 2 2（12：12 3-130.No.9September,2023参考文献（上接第149 页）F=(0,276)栏杆1.4519 2 kN杆2.45.9 19 1kN交通桥.59 4.0 0 1kN闸墩,2 3410.9 4kNF=(0,150)中底板，5131.8 7 kN图1水闸计算模型F=(0276)3.07760.539kN+F=(0,-360)0.50间墩2.2 2 511,7 5kN1411.24kN$3 1337.47kN￥10 6 50.2 k N图2泵站计算模型抗滑K。荷载组合计算情况完建情况基本组合设计运用情况施工情况特殊组合检修情况地震情况注：泵站地基类型为强风化岩带，地基承载力为450 kPa。4结论本文通过实例根据水闸设计规范泵站设计规范广东省防洪（潮）标准和治涝标准（试行）（粤水电总字19 9 5】4号）6 等文件及项目实际要求对广州市荔湾区鹤洞水闸泵站工程的闸顶、水力、结构稳定进行计算讨论，借助计算模型可以直观地看出水闸、泵站相应地基处理所能承受的荷载，为主要结构物的耐久性、稳定性提供的真实有效的数据基础，源头上保证了工程的质量。1唐帅，刘亚坤.多孔拦河闸的水力特性研究 J.水利与建筑工程（1)水闸稳定计算，结果见表2。表2 闸室抗滑及基础应力成果表荷载计算设计规范组合情况值值完建情况1.3574.41 61.04正常蓄水基本21.011.3571.2139.351.80 1.50180位情况组合设计洪水10.371.3555.43 41.94位情况水位=3.0 7特殊检修情况12.591.2062.6739.681.58 2.00180组合地震情况6.211.1067.16 39.82F(0,300)注：水闸处理后地基类型为粉质粘土，地基承载力为150 kPa，又因￥42 9 3.8 8 k N3379.07kN表3泵房抗滑及基础应力成果抗浮K设计值规范值设计值规范值1.353.302.461.351.202.131.201.901.10参考文献抗滑K。地基经换填埋石混凝土后，可以视为中等坚实土基，基底应力比提升一个等级。基本组合为2.0,特殊组合为2.5。（2）泵站稳定计算，结果见表3。不均匀系数OmxOmin1.10126.662.761.101.052.621.051.05学报,2 0 17(0 3):8 1-8 6.2陆银军，周伟，明月敏，等.基于数值模拟的闸站结合布置优化设计 J.排灌机械工程学报，2 0 14（11）：9 6 3-9 6 7.3李国林，季永兴，毛登林.滇池海口闸型式及总体布置方案比选J.水利规划与设计,2 0 17（0 8):1-4.4金海，王建平，姜付仁，等.国外大型挡潮闸工程的经验借鉴 J.中国水利,2 0 16(10):56-6 0.5王俊鹏.东大宫提水泵站工程设计 J.河南水利与南水北调,2 0 2 2(10):6465.6阳雯.象山提水泵站地基处理设计 J.云南水力发电,2 0 2 1(10):85-87.153基底应力之比设计 规范最大OmaxOmin值值值1.211.501801.321.501801.682.00180允许设计值规范值最大值98.601.2890.6080.34130.77101.0395.4883.69100.3988.38允许1.505401.121.501.292.001.142.001.132.00540540540540