立洲水電站調壓井不同施工方案三維非線性有限元分析

王 莎，朱俊松，王萬千，王蔚楠，陳建康

立洲水電站調壓井不同施工方案三維非線性有限元分析

王 莎1，朱俊松2，王萬千1，王蔚楠1，陳建康1

（1.四川大學水利水電學院，成都 610065；2.中國市政工程西南設計研究總院，重慶 610081）

就調壓井而言，其施工期的圍巖穩定、結構受力特性是設計中須深入研究的關鍵技術問題之一。以立洲水電站調壓井工程為研究對象，應用三維非線性有限元法對其不同方案的開挖支護效應、應力變形規律、圍巖穩定及襯砌結構內力分布等開展了較為深入系統的研究，揭示該工程調壓井不同施工方案井壁圍巖、邊坡的應力變形、塑性區分布規律及其穩定性，提出了推薦施工方案、建議優化措施等。上述研究成果為該工程優化設計提供了重要的參考依據。關 鍵 詞：調壓井；三維有限元；應力變形；圍巖穩定

在“十二五”期間，中國西部將有一批水電工程投入建設和運營，其顯著特點：工程區水文與地質環境復雜，高地應力，高地震烈度，壩高庫大，地下廠房、調壓井等規模宏大。因此調壓井施工期的圍巖力學特性、受力條件及與之對應的應力變形特征和失穩破壞規律、襯砌結構受力特性也成為調壓井設計中的重大難點。因此，運用有限元數值模擬對軟弱地質條件下調壓井圍巖穩定性及結構的受力特性進行研究具有工程指導意義。

1 工程概況

立洲水電站引水系統采用“一洞一室三管”的布置形式。調壓井及壓力管道位于廠房西側山脊上，南側為龔家溝，北東及東側為木里河。該工程調壓井為露頂圓筒阻抗式，最大開挖直徑為27.4 m，井筒高度為147.25 m；其周圍圍巖屬穩定性很差的Ⅳ和Ⅴ類圍巖，即井筒自上而下97 m范圍內為Ⅴ類圍巖，易發生傾倒破壞、楔形體剪切滑移破壞。針對立洲調壓井開挖斷面較大且圍巖自穩能力差，結構受力復雜等條件，運用三維非線性有限元數值模擬，擬定3種方案進行調壓室施工期圍巖穩定性研究，通過分析，提出最優施工方案，為該工程的設計和施工提供有價值的借鑒和參考。

2 調壓井圍巖開挖過程及支護措施模擬

2.1 調壓井圍巖分級開挖模擬方法

立洲調壓井開挖采用“開挖釋放荷載”方式，即先加載再開挖來模擬開挖作用效應。首先由自重作用下的初始地應力場確定第1級開挖邊界上的初始應力｛ˉσ0｝，然后去掉第1級開挖巖體（一般將模型單元的剛度設置為0），將｛ˉσ0｝中開挖巖體作用于開挖面的法向正應力及切向剪應力反向施加于開挖邊界，具體計算第1級開挖釋放荷載｛q1｝見下式［1］，即

式中BT為巖體節點的應力轉置矩陣。

可得到第1級開挖釋放荷載作用形成的洞室巖體第1級附加位移場與附加應力場｛▽u1｝，｛▽σ1｝，因此，第1級開挖完成時邊坡的一次應力場和位移場為［2］：

由此可計算第2～N級開挖釋放荷載｛q2｝～｛qn｝，以及相應分級開挖產生的附加位移場｛▽u2｝～｛▽un｝與附加應力場｛▽σ2｝～｛▽σn｝，由此可推出第2～N級開挖完成時的各級應力場為

每級開挖單獨作用形成的位移場為

第i級開挖井筒圍巖累積位移場為

調壓室圍巖在上述開挖過程中，只要確定了井筒巖體開挖高度和開挖面邊界，運用有限元計算軟件［3］，即可求得開挖邊界上的等效釋放荷載、附加位移場和應力場。

2.2 調壓井分級開挖支護措施的模擬

調壓井作為地下洞室開挖的一種，錨桿和錨索作為一種臨時和永久支護已得到廣泛應用。加錨巖體的變形和強度參數會有較大提高，可提高錨桿加固區域圍巖的強度參數來模擬錨桿的加固作用。通常將錨桿加固區的單元的強度參數凝聚力C值提高，本文提高15%～30%。

在立洲調壓井分級開挖過程中，邊坡圍巖屬于覆蓋層，巖性差，需施加預應力錨索來提高邊坡圍巖強度；對于預應力錨索的模擬，采用施加一對鎖固力。

在進行立洲調壓井的開挖過程模擬時，根據調壓井開挖完成后井壁破壞部位及發育程度，確定系統錨桿的布置方案。并在每級開挖完成后及時進行系統錨桿支護，系統錨桿支護參數根據各調壓井周邊圍巖和邊坡的圍巖類型各不相同［4］，立洲調壓井主要設置Φ25，＠1.5 m×1.5 m，L＝6.0 m；Φ28，＠1.5 m× 1.5 m，L＝9.0 m的2種錨桿。

在調壓井分級開挖過程中，混凝土噴層的模擬是將它及時同級噴護，并與圍巖協調變形，共同承擔圍巖變形產生的應力。

混凝土襯砌結構的模擬是在各級開挖過程中，對立洲調壓井位于井筒上部的鎖口段滯后一級將混凝土襯砌形成，并與圍巖及混凝土噴層協調變形，共同承擔圍巖變形產生的應力；而井筒襯砌結構的模擬，采用“先開挖及時錨噴支護，后襯砌施工”的方式進行模擬。

3 調壓井不同施工方案分級開挖和支護程序

針對立洲調壓室開挖內徑大，所屬圍巖為Ⅴ或Ⅳ類，巖體質量差等特點，擬定調壓室采用3種方案進行分級開挖，見表1。

方案一，無噴錨支護條件下分級開挖；方案二、三，分級開挖的同時，及時跟進噴錨支護，鎖口段混凝土襯砌滯后一級施工程序。

表1 立洲水電站調壓室計算方案Table 1 Computational schemes for the surge chamber of Lizhou Hydropower Station

其中調壓室開挖過程方案一分為27級，平均每8 m為一開挖層；方案二、三為28級；根據擬定的分級開挖順序和進度安排進行有限元模擬計算，具體開挖支護程序見圖1。分別計算模擬各方案調壓井自上而下的分級開挖過程，分析開挖施工各步驟圍巖的位移、應力特征及可能出現的破壞部位、發育深度及分布范圍。

圖1 立洲調壓井分級開挖流程Fig.1 Stepped excavation for the surge tank of Lizhou Hydropower Station

4 有限元模擬范圍及材料參數

4.1 模擬范圍

立洲調壓井三維有限元計算選取調壓井結構和較大范圍圍巖體作為整體研究對象［5］，其中有限元計算模型鉛直向底部取至1 810.00 m高程，約1.35倍井高，上部延伸至地表，以調壓井中心軸線為界，上游取210 m，下游側取250 m；前后側各取140.0 m（約5倍筒徑），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N56.2°W；

y軸垂直調壓井引水隧洞水流方向（前后側），軸向方位N3°E；

z軸與x和y垂直，且沿井筒高程方向鉛直向上。

根據橫、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；離散中鎖口混凝土、噴層、襯砌結構和圍巖采用空間8節點等參實體單元，系統錨桿采用只計入軸向剛度的錨桿單元模擬。整個計算模型共剖分為100 327個節點和99 680個單元。壓井三維有限元計算網格見圖2所示。

4.2 材料參數

根據調壓室地勘資料和地質剖面圖揭示，立洲調壓井2 058.47 m高程以上97.0 m范圍為Ⅴ類圍巖，（單位彈抗系數k0＝500 MPa／m，變形模量E0＝0.5～1 GPa），2 058.47 m高程以下至調壓井阻抗板底部為Ⅳ類圍巖，圍巖條件仍然很差。有限元計算模擬了調壓室的所處的三維地形、覆蓋層和幾個風化層巖帶等。調壓室井筒襯砌混凝土、鎖口混凝土按C25混凝土考慮，貼坡和噴層混凝土為C20。其力學參數匯總于表2、表3。

圖2 立洲水電站調壓井有限元計算網格Fig.2 Finite element computing girds for the surge tank of Lizhou Hydropower Station

表2 調壓井圍巖與覆蓋層物理力學參數地質建議值Table 2 Suggested values of physical and mechanical parameters for the surrounding rock and overburden layer of the surge tank

表3 錨桿、混凝土、鋼筋等材料物理力學指標Tab le 3 Physical and mechanical indexes for the anchor rod，concrete，and steel

根據設計提供資料，可以確定立洲調壓室內底板高程為2 011.25 m，最高涌浪水位高程為2 145.72 m，井外最高水位為2 083.45 m。

5 成果分析

通過對立洲水電站調壓井工程三維非線性有限元模擬分析，研究成果已應用于實際工程設計，主要成果總結如下。

5.1 調壓井不同開挖方案圍巖變形分析

調壓室四周圍巖均向井內變形，同一高程變形表現明顯不對稱性，上游側大于下游側，前、后側基本相等，呈“橢圓型”變形。變形受開挖面釋放荷載、井周圍巖類別及各側埋深控制。

調壓井不同方案下，縱向變形分布規律如表4所示。

表4 開挖高2 088.00 m三方案y＝0縱剖面洞壁最大變形對比Table 4 Com parison ofmaxim um longitudinal deformation of the lining in three schemes（h＝2 088.00 m and y＝0）

3個方案開挖變形規律大致相同，井壁變形上游側大于下游側，量值隨開挖高程降低先增后減，至高程2 088 m附近達到最大，主要是該高程附近區域處于風化層與微新基巖交界帶，圍巖質量變化較大所致。井筒開挖支護約束作用明顯，井壁水平向變形相對無支護減小，開挖面鉛直向變形變化甚小。鎖口段與井筒支護段，方案二、三變形規律與方案一基本一致，但都較方案一量值有所減小。

5.2 不同開挖方案應力分析

3個方案大主應力σ1整體上隨高程降低而遞增。方案一開挖面應力最大值12.55 MPa（第27級開挖高程2 008.75 m與隧洞交匯處）；方案二噴層承受圍巖壓力，應力達34.14 MPa；方案三應力值相比方案二減小明顯，最大值18.81 MPa（高程2 008.75 m與隧洞交匯處）。

從小主應力σ3分布來看，方案一井筒拉應力分布范圍一般在開挖層中部，量值較小，不超過－0.5 MPa；方案二拉應力普遍大于方案一，主要分布在當級開挖層中部圍巖及鎖口段與圍巖交匯處，最大值－10.41 MPa發生在第15級開挖高程2 112m井壁上游側；方案三與方案二應力分布規律相同，最大值－1.42 MPa發生在高程2 155 m上游側鎖口處。

3個方案應力分布規律基本相同，同一高程井周應力分布存在明顯不對稱性，即上游側大于下游側，左右側基本相同，噴層及鎖口砼內壁壓應力水平一般大于外壁。方案二在結構突變處（鎖口砼厚度有變化）拉應力很大，疑有應力集中現象，方案三拉應力值變化比較穩定。

5.3 3個方案塑性區分布規律

3個方案圍巖塑性發育、分布規律大體相同，即井周圍巖塑性區分布不對稱，上游側圍巖埋深大，開挖卸荷效應明顯，塑性區比較發育；下游側圍巖埋深相對較淺，無明顯塑性區；井壁左右兩側圍巖埋深接近，塑性區發育較為對稱；塑性區發育深度方案一最大，方案二、三基本相同，較方案一有大幅減小。從點安全系數等值線分布圖（見圖3至圖5）可知，開挖邊坡上游存在大量小于1.2的區域，支護、錨固效果明顯，提高了調壓室圍巖的穩定性和安全性。從圖3至圖5可見，邊坡存在大量塑性區，建議增加抗滑樁。

圖3 方案一第27級（最后一級）開挖y＝0橫剖面塑性區分布、等值線圖Fig.3 Plastic zone distribution and contour map of the horizontal profile at the last step（27th）in scheme 1（y＝0）

圖4 方案二第28級（最后一級）開挖y＝0縱剖面塑性區分布、等值線圖Fig.4 Plastic zone distribution and contour map of the longitudinal profile at the last step（28th）in scheme 2（y＝0）

圖5 方案三第28級（最后一級）開挖y＝0縱剖面塑性區分布、等值線圖Fig.5 Plastic zone distribution and contour map of the longitudinal profile at the last step（28th）in scheme 3（y＝0）

6 結 論

本文結合立洲水電站調壓井工程三維非線性數值模擬研究課題，擬定3種施工方案，并對不同方案下的井筒結構應力、變形，以及圍巖穩定性進行了較為深入的分析和探討。分析結果表明：圍巖變形，塑性區分布，方案二、三均與方案一有明顯相似的分布規律，但在量值上均較方案一有所減小。在應力分布方面，方案二的小主應力普遍大于方案一，方案三的應力分布雖與方案二規律相同，但比方案二小；大主應力方案三比方案二明顯減小。方案三施工過程襯砌厚度與錨桿長度均小于方案一、二，節約了施工成本。綜合考慮以上因素，選取方案三為最優施工方案。上述研究成果，為該工程的優化設計提供了重要的參考依據。

［1］ 周榮祥，王秋生.用ANSYS模擬巖土開挖的兩種方法［J］.甘肅科技，2005，21（10）：135－138.（ZHOU Rong-xiang，WANG Qiu-sheng.Two ANSYS-Based Methods for Excavation Simulation［J］.Gansu Science and Technology，2005，21（10）：135－138.（in Chinese））

［2］ 毛擁政.四川省尼日河開建橋電站工程調壓井圍巖及支護結構穩定性分析及優化研究［D］.西安：西安理工大學，2006.（MAO Yong-zheng.Stability Analysis and Optimization of the Surge Shaft Surrounding Rock and Supporting Structure for Kaijianqiao Hydropower Station on Niri River in Sichuan Province［D］.Xi’an：Xi’an University of Technology，2006.（in Chinese））

［3］ 楊興國，符文熹，曹 竹.復雜地質條件下大型調壓井關鍵施工技術數值仿真優化分析［J］.四川大學學報（工程科學版），2006，38（4）：5－9.（YANG Xing-guo，FUWen-xi，CAO Zhu.Numerical Modeling on Key Construction Schemes of Large-scale Surge Tank under Complex Geological Conditions［J］.Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2006，38（4）：5－9.（in Chinese））

［4］ 李啟升.高邊墻地下調壓室襯砌結構工作性態研究［D］.南京：河海大學，2006.（LIQi-sheng.Work Behavior of Lining Structure of Underground Surge-chamber with High SideWall［D］.Nanjing：Hohai University，2006.（in Chinese））

［5］ LEE PL，ZHOUW，CAMERON IT.Constrained Generic Model Control of a Surge Tank［J］.Computers and Chemical Engineering，1991，15（3）：191－195.

（編輯：曾小漢）

3-D Nonlinear Finite Element Analysis of Surge Tank of Lizhou Hydropower Station in Different Construction Schemes

WANG Sha1，ZHU Jun-song2，WANGWan-qian1，WANGWei-nan1，CHEN Jian-kang1
（1.College ofWater Resources and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Southwest China Municipal Engineering Design Research Institute，Chongqing 610081，China）

The surrounding rock stability and structural load bearing features of surge tank in construction period are key technical issues in the design.The surge tank of Lizhou hydropower station in different construction schemes is taken as an example to research the excavation supporting effect，stress deformation law，surrounding rock stability，lining structure stress distribution and reinforcement.The research is carried out through 3-D nonlinear finite elementmethod.The stress deformation and plastic zone distribution and stability of the lining surrounding rock，and slope stress in different schemes are revealed.Construction scheme and optimizationmeasures are recommended.The research result provides reference for the optimization design of the project.

surge tank；3-D finite element；stress deformation；surrounding rock stability

TV732.51

A

1001－5485（2012）12－0083－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.017 2012，29（12）：83－87

2011－10－19；

2011－11－22

王 莎（1987－），女，遼寧鞍山人，碩士研究生，主要從事山地災害與防治研究，（電話）15982296885（電子信箱）694193545＠qq.com。