基于数值模拟的引水隧洞稳定性研究.pdf

年第 期水利技术监督信息化:/基于数值模拟的引水隧洞稳定性研究张 林(江西省水投工程咨询集团有限公司 江西 南昌)摘要:引水隧洞施工难度大 容易引起地质灾害 基于数值模拟 分析了引水隧洞埋深和地下水位高度对引水隧洞稳定性的影响 结果表明:随着隧洞埋深的增加和地下水位的升高 隧洞的渗流速度、涌水量、位移、主应力都有明显的增加 并且隧洞对埋深变化的敏感性明显高于地下水位变化 当存在地下水时 隧洞拱顶和墙脚处的应力对水位变化较为敏感 隧洞的拱顶和墙脚更容易发生破坏 研究结果可为隧洞施工提供参考关键词:引水隧洞 数值模拟 隧洞埋深 地下水位中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:张 林(年)男 工程师:我国幅员辽阔 东西、南北跨度较大 这也导致了我国水资源分布不均匀 形成南多北少、东多西少的分布特点 因此 为了满足北部和西部地区的水资源需求 我国组织修建了大量的引水工程比如云南滇中引水工程、南水北调工程等 在这类工程中 引水隧洞的施工难度较大 也更容易引起地质灾害 尤其是在隧洞开挖过程中以及隧洞使用期间产生的一系列渗流问题和围岩稳定性变差等问题 严重威胁了群众的生命财产安全一些学者对引水隧洞建设和使用过程中出现的问题进行研究 结果表明 渗流场和应力场的相互作用是导致引水隧洞出现安全事故的主要因素刘仲秋等以锦屏二级水电站引水隧洞为研究对象采用数值模拟的方法 对隧洞施工和运营期间进行应力 渗流耦合分析 结果表明 水流外渗容易对隧洞的衬砌结构产生不利影响 施工过程中应采取一定的防范措施 李术才等采用流固耦合模型试验的方法 对海底隧道的施工进行研究 揭示了施工过程中围岩中应力以及渗流场的变化规律 为今后类似的工程提供了依据 谢光莹等同样是基于流固耦合模型 研究分析了隧道开挖过程中衬砌的变形和孔隙水压力的变化 纪佑军等以实际工程为基础 先建立了隧道开挖过程中的数学模型 再利用 有限元分析软件对围岩的应力、渗流规律进行模拟 结果表明 在隧道开挖过程中 通过注浆可以有效控制围岩的变形以及地表沉降综上所述 国内外学者对围岩中渗流场和应力场的耦合作用进行了大量的研究 也获得了丰硕的成果 但研究对象大多数为交通隧道 也没有考虑隧洞埋深、地下水位等因素对隧道稳定性的影响对 因此本文运用数值模拟的方法 研究隧洞的埋深、地下水位高度等对渗流、位移以及应力的影响 以期给今后的工程提供参考 模型参数本文以某地区的引水隧洞为例 考虑到渗流 应力的耦合作用 使用有限元分析软件对隧洞的开挖过程进行模拟 该隧洞的结构断面如图 所示 建模过程中为了减少边界效应对计算结果的影响 选定模型的尺寸为 计算过程中 模型的顶部无约束 底部为固定约束 侧面均为法向位移约束该模型中共包括 种土层 自上而下分别为填土层()、黄土层()和砂岩 隧洞位于砂岩层中 砂岩、初衬和底板均采用 力学模型 二衬采用的是弹性模型 并设置为不透水层 具体的力学参数见表 数值模拟结果无论是在隧洞的开挖过程还是在隧洞的运营期间 隧洞的埋深和地下水位的高度对隧洞的稳定性影响最为显著 因此 本文共设置 种工况 来探究隧洞埋深和地下水位对隧洞周围渗流场、位移以及应力分布的影响信息化水利技术监督 年第 期图 引水隧洞结构断面图表 材料基本参数表材料容重/(/)弹性模量/泊松比黏聚力/内摩擦角/()渗透系数/(/)填土 黄土 砂岩 底板 初衬 二衬 隧洞埋深对隧洞稳定性的影响隧洞埋深是指隧洞顶部与地面间的距离 为了探究隧洞埋深对隧洞稳定性的影响 本节模拟分析了 种工况 保持地下水位位于地表不变 仅改变隧洞的埋深为、隧洞埋深对渗流场的影响图 为不同隧洞埋深情况下隧洞开挖面处地下水的流速和涌水量变化图 从图中可以看出 随着隧洞埋深的增加 地下水的渗流速度和涌出量均有增加尤其是当隧洞埋深从 增加到 时 地下水的渗流速度和涌水量剧烈增加 平均流速从/增加到了/涌水量从/增加到了/分别增长了和 而当隧洞埋深从 增加到 时 地下水的平均渗流速度和涌水量分别增长了和 这说明引水隧洞埋深对渗流场的影响较为明显 当埋深超过 后应优化防排水措施 防止突涌事件的发生 隧洞埋深对位移的影响图 给出的是不同隧洞埋深对隧洞衬砌位移的影图 隧洞埋深对地下水流速和涌水量的影响响 共选取了 个观察点 分别是隧洞拱顶、隧洞底板、左边墙和右边墙 通过对比可以发现 与渗流场的变化不同的是 位移随着隧洞埋深的增加呈现出线性增长趋势 当隧洞埋深从 增加为 时 隧洞拱顶的位移由 增加至 增加了约隧洞底板的位移由 增加至 增加了约 左边墙由 增加至 增加了约 右边墙由 增加至 增加了约 由此可知 隧洞埋深对拱顶位移的影响最明显 对边墙的影响次之 对底板位移的影响最小图 隧洞埋深对位移的影响 隧洞埋深对应力的影响研究隧洞埋深对应力的影响时 设置的观察点分别位于拱顶、左拱脚、左墙角和地板中心点 计算结果显示最大主应力和最小主应力均为压应力而图中的数值仅表示主应力大小 从图中可以看出随着隧洞埋深的增加 衬砌的主应力大小也逐渐增加 当隧洞的埋深从 增加为 时 拱顶的最大主应力增加了约 最小主应力增加了约 左拱脚的最大主应力增加了约 最小主应力增加了约 左墙脚的最大主应力增加了约 最 年第 期水利技术监督信息化小主应力增加了约 底板的最大主应力增加了约 最小主应力增加了约 此外 左墙脚处的主应力值最大 底板中心的主应力值最小 由此可见 隧洞埋深对拱脚处的最大主应力影响最为明显而对拱顶处的最小主应力影响较为明显图 隧洞埋深对应力的影响 地下水位对隧洞稳定性的影响本节中隧洞的埋深均为 不变 设置隧道拱顶为 种工况分别是地下水位为、其他参数与前文一致 以此来研究地下水位的变化对隧洞稳定性的影响 地下水位对渗流场的影响如图 所示 随着地下水位的升高 地下水的流速和涌水量都随之上升 但升高的趋势较为缓慢当地下水位由 增加到 时 地下水平均流速从 /增加到了 /涌水量从/增加到了 /分别增长了 和 和隧洞埋深对渗流场的影响相比 地下水位对渗流场的影响不明显 地下水位对位移的影响在分析地下水位变化对衬砌位移的影响时 同样将观测点设置在隧洞拱顶、隧洞底板、左边墙和右边墙 从图 中可以看出 地下水位的变化对隧洞地板的位移影响较小 当地下水位由 增加图 地下水位对渗流场的影响到 时 隧洞底板的位移约增加了 其他处观测点的位移分别增加了约、这也说明地下水位的变化 对隧洞拱顶的位移影响最大 所以在施工的过程中 需要持续关注地下水位和隧洞拱顶位移的变化图 地下水位对位移的影响 地下水位对应力的影响从图中可以看出 随着地下水位的升高 衬砌的主应力大小也呈现出缓慢增加的趋势 当地下水位从 增加为 时 拱顶的最大主应力增加了约 最小主应力增加了约 左拱脚的最大主应力约增加了 最小主应力约增加了 左墙脚的最大主应力增加了约 最小主应力增加了约 底板的最大主应力增加了约 最小主应力增加了约 由此可见 地下水位的变化对拱脚处的最大主应力影响最为明显对墙脚处最大主应力的影响最小 而地下水位对拱顶处的最小主应力影响较为明显 对底板处的最小主应力影响最小 因此 当存在地下水时 隧洞的拱顶和墙角最容易发生破坏信息化水利技术监督 年第 期图 地下水位对应力的影响 结语本文对引水隧洞开挖过程进行模拟 分析隧洞的埋深、地下水位高度对隧洞稳定性的影响 得到以下结论:()随着隧洞埋深的增加和地下水位的升高隧洞的渗流速度、涌水量、位移、应力都有明显的增加 隧洞对埋深变化的敏感性高于地下水位变化 ()隧洞不同位置处对埋深和水位变化的敏感性不同 埋深和地下水位对拱顶位移的影响最明显 对边墙影响次之 对底板位移影响最小()隧洞主应力受埋深和地下水位的影响有所不同 埋深和地下水位对拱脚的最大主应力影响最明显()不同地质情况可能会影响数值模拟结果因此 应综合具体地质情况进行分析 施工中建议加强支护 快封闭 勤量测 保证施工安全参考文献 何川 谢红强.多场耦合分析在隧道工程中的应用.成都:西南交通大学出版社.王克忠 唐雨蔷 李伟平 等.渗流 应力耦合下深埋引水隧洞变形稳定性分析.浙江工业大学学报 ():.刘仲秋 章青.考虑渗流 应力耦合效应的深埋引水隧洞衬砌损伤演化分析.岩石力学与工程学报 ():.李术才 宋曙光 李利平 等.海底隧道流固耦合模型试验系统的研制及应用.岩石力学与工程学报 ():.谢光莹 王毅 雷红仙 等.基于 流固耦合的某公路下穿隧道开挖数值模拟研究.公路交通科技(应用技术版)():.纪佑军 刘建军 程林松.考虑流 固耦合的隧道开挖数值模拟.岩土力学 ():.袁应飞 姜彦作.某碾压混凝土坝典型坝段三维有限元渗流分析.水利技术监督():.古丽苏玛依阿不都萨塔尔.新疆某大型灌区泵站工程除险加固安全检测成果分析.水利技术监督():.(上接第 页)结语水利工程监督检测是各级水利质量监督机构了解本辖区施工质量水平的重要手段 但目前尚无统一的管理要求 各级质量监督机构均是结合各自质量监督需要开展监督检测工作 本文结合上海市水利工程监督检测的实践经验 研究了监督检测的特点 介绍了监督检测的分类形式 分析了监督检测的实施要点 提出了一些发展建议 对各级监督管理机构在开展监督检测工作时具有很好的指导作用 亦可为监督检测行业管理要求的制定提供一些参考意见但限于地区经验 内容尚不够全面 还应在实践中积极总结管理经验 不断提高监督检测管理水平参考文献 水利部.水利工程质量监督管理规定.水利部.水利工程质量检测管理规定.水利部.水利工程质量管理规定./.上海市水利工程施工质量检验与评定标准.水利工程质量检测技术规程.陈家存.水利建设工程质量检测存在问题及发展思路分析.黑龙江水利科技 ():.陈波.水利工程质量监督性检测要点研讨及工程实例.小水电():.张伟 叶国平.面上水利建设项目质量抽检发现问题分析及监管建议.水利技术监督():.蔺小兵.新时期县市水利工程质量监督措施探讨.水利技术监督():.