立洲水電站引水隧洞三維非線性有限元分析

黃超，楊培章

(四川華電木里河水電開發(fā)有限公司，四川 西昌 610016)

0 引言

當前我國水電建設主要集中在云、貴、川地區(qū)，其隧洞朝著大洞徑、結構形式復雜化、地質條件多樣化、受力條件復雜化的方向發(fā)展，其與圍巖聯(lián)合工作的條件也愈來愈復雜，因此，引水隧洞施工期和運行期的圍巖力學特性、受力條件及與之對應的應力變形特征和失穩(wěn)破壞規(guī)律、襯砌結構受力特性也成為隧洞、調壓井設計中的重大難點問題。立洲水電站引水隧洞支洞長5 137 m，地質條件較差且復雜多變，已完成一期開挖支護。在正常的設計支護下，多次發(fā)生因巖石條件突變和涌水等不可預料因素導致的洞內塌方和變形，說明傳統(tǒng)結構計算方法(解析法)已無法全面反映襯砌結構與圍巖聯(lián)合受力特征。立洲水電站引水隧洞主洞段長達16 745 m，為了驗證設計支護參數(shù)的合理性，尋找施工期和運行期洞內支護后變形的最不利部位，調整相應的支護參數(shù)以及加固、預防措施，從而減少洞內災害和工期影響，達到減少投資的目的。運用有限元數(shù)值模擬對軟弱地質條件下隧洞圍巖的穩(wěn)定性及結構的受力特性進行研究，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

立洲水電站采用混合式開發(fā)方式，樞紐工程由碾壓混凝土雙曲拱壩(壩高138 m)、壩身泄洪系統(tǒng)、右岸地下長引水隧洞及地面廠房組成，水庫總庫容1.897億m3，具有不完全年調節(jié)性能，總裝機容量為355 MW。

本文以立洲水電站引水隧洞工程為研究對象，該隧洞為有壓圓形，隧洞中心軸線布置3個平面轉彎，方位由 N 33.62°E 轉為 N 24.12°W，再轉為N 34.60°W 和N 88.86°W。隧洞進口中心線高程為2055.1 m，內徑為 8.2 m，鋼筋混凝土襯厚為 0.4 ～1.0 m，引水隧洞縱坡i=3.019‰。隧洞圍巖大多屬穩(wěn)定性很差的Ⅳ，Ⅴ類圍巖，含炭質板巖、砂板巖，易發(fā)生傾倒破壞和楔形體剪切滑移破壞。

2 計算模型及計算參數(shù)

2.1 有限元模擬范圍及結構離散

立洲水電站引水隧洞三維有限元計算選取隧洞結構和較大范圍圍巖體作為整體研究對象，其中有限元計算模型鉛直向底部取至1810.0 m高程，上部延伸至地表，以隧洞中心軸線為界，上游側取210.0 m，下游側取 250.0 m，前后側各取 140.0 m，井臺高程前后側計算邊界圍巖厚度約120.0 m。有限元計算坐標系選定為

X軸:沿調壓井引水隧洞方向(上下游側)，軸向方位 N 56.2°W。

Y軸:垂直調壓井引水隧洞水流方向(前后側)，軸向方位N 3°E。

Z軸:與X軸和Y軸垂直，且Z=X×Y，沿井筒高程方向鉛直向上。

根據(jù)橫、縱剖面巖層分界線，地形等高線及調壓井輪廓，并考慮分級開挖程序進行有限元三維建模;采用空間8節(jié)點等參數(shù)實體單元，支護錨桿采用等效圍巖強度參數(shù)模擬。整個計算模型共剖分為100327個節(jié)點和99 680個單元。引水隧洞三維有限元計算網(wǎng)格如圖1所示。

2.2 圍巖開挖過程及支護措施模擬

隧洞的開挖同地下洞室的開挖一樣，其巖體的開挖效應:一是體現(xiàn)在開挖巖體移除，參與計算時這部分剛度消失;二是開挖巖體對周圍圍巖失去支撐和變形約束。立洲水電站引水隧洞開挖采用工程上常用的“多載荷步法”，即上一級開挖形成的釋放載荷按照一定比例施加在本級開挖邊界上，再將開挖巖體“殺死”來模擬開挖效應。其效果如圖2所示。

圖1 立洲水電站引水隧洞三維有限元計算網(wǎng)格

圍巖和支護非線性模型采用D－P彈塑性模型，運用基于M－C屈服準則的點安全系數(shù)法判斷圍巖開挖及初期支護的穩(wěn)定性。通過提高錨桿加固區(qū)域圍巖的強度參數(shù)，來模擬錨桿的加固作用。通常將錨桿加固區(qū)單元的強度參數(shù)凝聚力C值和彈性模量E值提高，一般提高15% ～30%。其等效公式可表示為式中:cy，φy，Ey為未加固巖體的凝聚力、內摩擦角和變形模量;fy為錨桿的抗拉強度;S為錨桿橫截面面積;a，b為錨桿的縱、橫布置間距;Lm為錨桿的設計長度;η為無量綱系數(shù);L為錨固區(qū)圍巖深度;ρ為含錨率，即單位加固區(qū)體積中錨桿的體積。

在引水隧洞分級開挖過程中，采用“先開挖及時錨噴支護，后襯砌施工”的方式進行整個隧洞開挖模擬。

2.3 材料參數(shù)

根據(jù)引水隧洞地質勘探資料和地質剖面圖可知，立洲水電站引水隧洞有限元模擬范圍內為Ⅳ類圍巖，圍巖條件較差。有限元計算模擬了調壓室所處的三維地形、覆蓋層和幾個風化層巖帶等。隧洞襯砌混凝土按C25混凝土考慮，其力學參數(shù)匯總于表1和表2。

2.4 引水隧洞有限元分析計算工況及載荷組合

根據(jù)DL/T 5195—2004《水工隧洞設計規(guī)范》中相關規(guī)定，立洲水電站引水隧洞運行工況載荷組合為:內水壓力+混凝土結構自重+水平向圍巖壓力。

3 計算成果分析

3.1 施工期隧洞應力變形及穩(wěn)定分析

立洲水電站引水隧洞分級開挖過程中，在底部地應力釋放作用下，隧洞開挖底部鉛直向上回彈變形，其最大回彈變形量為8.8 mm，隧洞頂部圍巖受垂直向釋放載荷作用影響向下變形，最大變形量為9.2 mm;在開挖面徑向釋放載荷和井周圍巖厚度約束作用下，隧洞前后側向洞內變形，呈對稱分布，最大變形量為1.2 mm。可以看出，整個隧洞變形呈“橢圓形”分布，最大變形一般發(fā)生在開挖邊界上。

圖2 開挖釋放載荷示意圖

隧洞在開挖的同時及時跟進噴錨，存在開挖邊界上的應力釋放效應，位于隧洞頂部和底部圍巖的主拉應力最大，但量值較小，不超過－0.63 MPa;隧洞兩側有較大的壓應力集中，呈對稱分布，最大值為11.4 MPa，發(fā)生在開挖邊界區(qū)域。隧洞經(jīng)過襯砌之后，其應力主要由襯砌混凝土來承擔，在前后側區(qū)域大范圍存在拉應力，但量值較小，最大值為－0.26 MPa;襯砌外錨固區(qū)圍巖拉應力范圍明顯減少。大主應力分布規(guī)律跟支護時應力的分布規(guī)律相同，但增加襯砌砼后，錨固區(qū)應力有所減小，最大為11.3 MPa。

表1 隧洞圍巖與覆蓋層物理力學參數(shù)地質建議值

表2 錨桿、混凝土、鋼筋等材料物理力學指標

隧洞所處地質為Ⅳ類圍巖，在8.2 m圓形開挖洞徑下，隧洞兩側錨固區(qū)圍巖產(chǎn)生最大深度約4 m的塑性區(qū)，主要分布在隧洞四周中心線交45°范圍內，呈對稱分布，貫穿于整個模擬區(qū)域。增加襯砌之后，受力重新分布，主要集中在襯砌砼上，錨固區(qū)圍巖塑性區(qū)發(fā)育相對減少，其最大深度約3 m。引水隧洞錨固區(qū)位移分布如圖3所示，引水隧洞錨固區(qū)應力分布如圖4所示，引水隧洞襯砌結構應力分布如圖5所示，引水隧洞錨固、襯砌后塑性區(qū)分布如圖6所示。

3.2 運行期隧洞應力變形分析

通過有限元計算，當調壓室出現(xiàn)最高涌水位時，引水隧洞襯砌受內水壓力及山巖壓力等的作用發(fā)生向外變形。從圖3～圖6中可以看出:在隧洞底部由于圍巖垂直壓力以及水體、混凝土襯砌重力的作用，變形比其他部位大，不對稱分布;另外，徑向位移相比垂直位移小，最大分布在隧洞前后襯砌砼內壁，對稱分布。隧洞頂部和底部垂直位移最大分別為0.621 mm和0.727 mm，兩側徑向位移最大為 0.563 mm，隧洞也呈“橢圓形”變化。

受內水作用，襯砌所受的大主應力量值遠遠小于C25混凝土的抗壓強度(12.50 MPa)，且壓應力在襯砌上的分布為內側壓應力大于外側壓應力，錨固區(qū)圍巖壓力有所減少，最大為11.00 MPa，主要由襯砌砼承擔受力;襯砌的小主應力都處于拉力狀態(tài)，襯砌內側拉應力明顯比外側的大，且隧洞底部、頂部區(qū)域最大拉應力達到－2.31 MPa，超過其C25混凝土的抗拉強度(1.30 MPa)，呈對稱分布。運行期引水隧洞位移分布如圖7所示，運行期引水隧洞應力分布如圖8所示。

圖3 引水隧洞錨固區(qū)位移分布

圖8 運行期引水隧洞應力分布

4 結論

對立洲水電站引水隧洞的有限元分析計算表明，隧洞分級開挖，其前、后側存在較大的塑性區(qū)，開挖邊界存在一定的應力集中。在有限元計算過程中，未考慮一些特殊不利因素的影響，因此，建議適當加長前、后側向圍巖的錨桿長度。Ⅳ類圍巖穩(wěn)定性很差，支護挖條件下塑性區(qū)深度還是很大，內水作用下襯砌砼承受較大的拉應力，很有必要施加鋼支撐。

立洲水電站引水隧洞長達16 745 m，地質條件較差，多以炭質板巖和砂板巖為主，已完成一期開挖支護15 606 m，占開挖量的93.20%(其中Ⅲ類占10.15%，Ⅳ類占 68.75%，Ⅴ類占 21.10%)。現(xiàn)場以有限元研究成果為理論指導，取得了可喜的成效。洞內塌方和變形得到了有效的預防和控制，施工進度有所加快，大大減小了引水隧洞開挖對發(fā)電工期的影響，同時保證了施工期和運行期洞內的安全性和穩(wěn)定性。

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