基于襯砌混凝土等級對輸水隧洞地震響應影響數值模擬

張 艷

(鐵嶺縣水利事務服務中心,遼寧 鐵嶺 112600)

1 輸水隧洞有限元模型

1.1 工程概況

柴河水庫建于鐵嶺市境內遼河一級支流柴河的中下游,控制面積1355km2,總裝機容量7430kW,總庫容6.36億m3,承擔著重要防洪任務。隧洞控制樁號T0～090.36～T7+558.694和S21+550.000～S28+550.000,全長14649.43m。隧洞開挖選用鉆爆法,屬于有壓圓形隧洞,直徑3.9m。工程所在地基本烈度7度,位于地震活動比較頻繁的營口～郯城地震帶上。盡管鐵嶺市境內地震活動比較平靜,也不能排除未來發生較大地震的可能。因此,研究地震響應與襯砌混凝土等級之間的關系非常重要,可以更好地了解輸水隧洞在地震中的行為和響應,提高其抗震能力,并減少地震可能帶來的災害和損失。

1.2 隧洞建模

目前,比較常用的有限元軟件既包含適用于分析程序,也具有前、后功能非常強大的處理模塊,如ADINA、ASKA、ABAQUS和ANSYS等多種類型[1-3]。其中,ANSYS有限元分析確實是一款功能強大的計算軟件,可以整合聲場、磁場、電場、流體和結構等多個模塊進行分析。對于構造工程的有限元模型,ANSYS軟件具有較好的可行性和可靠性。

在研究分析輸水隧洞地震響應過程中,許多學者利用有限元模型進行深入研究,并給出了關于計算邊界的不同觀點,常見的邊界條件包括無限遠邊界、一致邊界和阻尼邊界等。在確定邊界條件時,需要考慮模型的計算范圍、復雜程度和計算手段等因素的限制,通常需要確定一定的橫向計算寬度和豎向運算范圍。根據相關研究成果和實際情況,文章以圓形輸水隧洞洞徑為3.9m為例,選取洞徑十倍向左右延伸作為模型邊界,上、下部取至地表及洞徑的3倍。四周和底部采用法向剛性和固定約束,頂部為自由邊界。襯砌與水體的接觸面采用流固耦合界面。在建模過程中,使用PLANE42單元模擬隧洞周圍的襯砌和巖體,使用RLUID29單元模擬隧洞內部的水體條件。模型計算節點共1340個,計算單元共1275個。監測點設置在仰拱、左右墻角、左右邊墻、左右腰拱及拱頂部位等位置,如圖1所示。

(a)第一主應力 (b)第三主應力

圖1 輸水隧洞監測點布設圖

1.3 載入地震波

針對輸水隧洞缺乏強震記錄資料的情況,因此可以選擇EL Centro記錄的地震加速度。根據地震波加速圖譜,確定前8秒的地震響應最大,并選擇地震波幅值為0.15g的9度地震烈度進行模擬。針對這種情況,可以使用ANSYS等有限元分析軟件對輸水隧洞的應力應變特征進行分析,在不同方向的地震激勵條件下,分析輸水隧洞動力響應情況。在得出時程響應后,可根據失效準則或其他設計標準對輸水隧洞的承載能力進行評估。然而,在進行有限元分析時,應準確地描述輸水隧洞的幾何形狀、材料特性、約束和載荷條件等,并對模型進行驗證和校驗,以保證分析結果的可靠性和準確性[8]。另外,由于輸水隧洞處于地下,在地震作用下,地表運動會向隧洞內傳導,引起地下應變波動和水位變化等。因此,需要對地下水位、土體的物理參數和隧洞周圍土體的變形特征等進行綜合分析,以全面評估輸水隧洞的抗震性能。根據有關研究成果和輸水隧洞的實際特點選擇瑞麗阻尼,并以經驗值的5%作為臨界阻尼比。

1.4 設置流固耦合方式

水利工程研究設計中的關鍵是分析固體與流體之間的相互動力作用,具體可以表現為兩種基本形態:第一種形態是固體域與流體之間的相互重疊,其中最典型的問題是滲流,這種情況適用于比如水庫、河流、地下水等涉及水流的工程;第二種形態是固體與流體域交界面上的耦合作用,在輸水隧洞的地震響應中顯然屬于這種情況,需要考慮地震波通過土體作用于隧洞墻壁和水體,以及水體動力對土體的相互作用[9]。

對于流固耦合問題,主要有直接和順序耦合,其中直接耦合是指同時求解固體和流體的動力方程,并通過耦合條件將兩個領域的解耦合在一起;順序耦合是指先求解固體的動力方程,然后將固體的響應作為邊界條件輸入流體方程進行求解。對于輸水隧洞中的水體部分,研究選用FLUID29單元進行模擬,這是ANSYS軟件中用于模擬流固耦合問題的元素。

1.5 計算參數

研究選取C25、C30、C40、C50等級的混凝土材料作為數值模擬對象,通過有限元分析模擬不同材料在地震作用下的響應情況,評估不同混凝土材料在地震荷載下的受力和變形特征,比較它們的承載能力和抗震性能,材料的力學性的如表1所示。

表1 材料力學性能

2 結果與分析

2.1 位移計算

模擬計算各個監測點在4種不同工況下的水平位移量,峰值如表2所示。結果顯示,在不同的工況下,各監測點的水平位移峰值相差較小,說明輸水隧洞在地震應力作用下的變形并不受增大襯砌剛度的抑制作用影響明顯,即地震應力作用下,輸水隧洞的變形主要受其他因素影響,例如地震波傳播路徑、地下水壓力、支護結構等,而不是單純受到襯砌混凝土等級的影響。

表2 水平位移峰值計算 mm

2.2 加速度計算

模擬計算各個監測點在4種不同工況下的水平加速度,計算的水平加速度峰值如表3所示。

表3 水平加速度峰值計算 m/s2

由表3可知,在不同的工況下,各監測點的水平加速度峰值相差較小,即增大襯砌混凝土的剛度對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響,如地震波傳播路徑、基巖性質、地下水位等因素。同時,輸水隧洞的剛度可能存在限制,以至于無法有效減小地震引起的水平加速度。

2.3 主應力計算

為進一步揭示地震響應受混凝土等級的影響規律,模擬各監測點的主應力峰值,如圖1所示。

從圖1可以看出,輸水隧洞的墻角和拱腰部位在4種不同工況下均存在較大的主應力峰值,表明在地震應力作用下輸水隧洞的墻角和拱腰部位比較薄弱;另外,各監測點的主應力峰值也隨著輸水隧洞襯砌混凝土等級的提高而增大。例如,對于輸水隧洞的左墻角部位,襯砌C25混凝土時的第一、第三主應力為1.51MPa和1.58MPa,襯砌C30混凝土時的第一、第三主應力為1.60MPa和1.67MPa,與C25等級相比增幅達到5.96%和5.70%,襯砌C40混凝土時的第一、第三主應力為1.70MPa和1.74MPa,與C25等級相比增幅達到12.58%和10.13%,襯砌C50混凝土時的第一、第三主應力為1.78MPa和1.82MPa,與C25等級相比增幅達到17.88%和15.19%。

綜上分析,在地震作用下,增大襯砌混凝土等級可以提高其剛度,并可能增加地震引起的應力大小。雖然襯砌混凝土剛度的提升可以增強輸水隧洞結構的剛性,但混凝土自身具有脆性特征。脆性材料在地震載荷下容易發生破壞,因此僅僅通過提高襯砌混凝土的剛度并不能徹底改善輸水隧洞的整體抗震性能。除了剛度,還需要綜合考慮其他因素,如結構的幾何形狀、支護結構的穩定性、地震動的頻率特性以及材料的耐震性等。為了提高輸水隧洞的抗震性能,還需要考慮采取適當的增加結構剛度和強度、增加支護措施、合理布置監測設備等措施,綜合分析和設計能夠確保輸水隧洞在地震作用下具有良好的安全性能。馬宏偉等對圓形輸水隧洞在地震波作用下的地震效應研究表明,輸水隧洞襯砌承受的動水壓力會隨著混凝土等級的提升而減小,同時軸向與環向動應力也會增大,對輸水隧洞整體抗震性能造成不利影響[10-12]。因此,本次研究結果與相關文獻資料總體相近,輸水隧洞襯砌應力會隨著混凝土等級的提高而增大,對改善輸水隧洞整體抗震性造成不利影響。通過采取外部抗震帶等措施以及選擇C25等級混凝土,可以保證輸水隧洞的整體抗震穩定性。

3 結 論

文章采用ANSYS有限元分析法模擬研究了鐵嶺市境內柴河供水工程輸水隧洞地震響應受襯砌混凝土等級的影響規律,主要結論如下:

1)雖然提高襯砌混凝土的等級可以增加其剛度并增大襯砌應力,但在地震條件下,這并不能顯著改善輸水隧洞的水平加速度和位移,反而可能對整體的抗震性能造成不利影響。因此,在設計和施工階段,需要綜合考慮其他因素,采取適當的結構加固和設計措施,以確保輸水隧洞在地震條件下具有良好的安全性能。

2)在地震應力作用下輸水隧洞的墻角和拱腰部位比較薄弱;另外,各監測點的主應力峰值也隨著輸水隧洞襯砌混凝土等級的提高而增大。通過采取外部抗震帶等工程措施以及選用C25等級襯砌混凝土,有利于保證輸水隧洞的整體抗震穩定性。