水工隧洞不同進口型式的圍巖穩定性分析研究

丁新潮,劉 斌,張 浩

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065；2.西安理工大學,西安 710048)

文章編號：1006—2610(2015)02—0013—03

水工隧洞不同進口型式的圍巖穩定性分析研究

丁新潮1,劉 斌2,張 浩1

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065；2.西安理工大學,西安 710048)

水工隧洞的進水口一般有方形和圓形2種不同的型式，根據實際工程概況、地質條件,利用有限元軟件建立2種不同進水口方案的三維非線性分析模型，比較圍巖應力、位移、塑性區數值分布范圍的結果，得出水工隧洞選用圓形進水口的合理性。

有限元;進水口型式;圍巖穩定性；分析

0 前 言

地下工程圍巖穩定性問題一直是巖土工程的一個重要的研究內容，而圍巖穩定性評價結果的正確與否直接關系到地下工程的成敗[1-4]。隨著技術和人們認識的發展，在實踐中總結出了很多圍巖穩定性分析的方法，本文便是應用有限元圍巖穩定性分析的方法，解決實際工程問題。

根據一般的工程經驗，洞室的斷面形狀對隧洞穩定性與安全性有明顯的影響，所以水工隧洞進水口洞段的體型對其進水口段的圍巖穩定產生明顯的影響。因為目前還沒有大型工程的設計經驗和工程實踐可以參考和借鑒，需要通過系統的分析，詳細對比分析圓形、方形進水口受力條件、運行條件、穩定條件，提出采用圓形進水口的必要性和合理性。

1 工程概況

某水電站工程樞紐主要由面板堆石壩、右岸溢洪道、泄洪放空洞和右岸地下電站廠房組成，以發電為主。水庫總庫容16.22 億m3，最大壩高211 m，裝機容量2 200 MW，工程規模為Ⅰ等大(1)型工程。擋水、泄水及引水發電等主要建筑物級別為1級，下游消能防護及永久性次要建筑物為3級。泄洪放空洞進水口位于右岸二長巖巖體內，屬淺埋式洞式進水口。溢洪道引渠開挖形成3 247.00 m高程大平臺后，進水口頂拱最小垂直埋深約24.0 m，左側圍巖最小厚度約40.0 m，右側距電站進水口引渠底板高程3 223.2 m約30.0 m。由于圍巖厚度相對較小，故泄洪放空洞進水口洞段的型式對其圍巖穩定產生明顯的影響。

泄洪放空洞進水口段(右洞0+000.00 m～右洞0+042.00 m)為中生代二長巖，巖體為弱下風化，隧洞天然埋深為65.0～78.0 m，工程開挖后實際埋深為24.0～43.0 m。圍巖類別為Ⅲ1類[5]，基本滿足隧洞成洞要求。但二長巖中斷層及裂隙較發育，局部存在不穩定的塊體組合。泄洪隧洞進口處岸坡主要由3種巖性組成，下部為三疊系變質砂巖及中生代二長巖岸坡，頂部為第三系礫巖岸坡，礫巖不整合于下伏二長巖之上。進口洞臉邊坡上部第三系礫巖為強風化Ⅳ類巖體，邊坡整體穩定；下部位于強～弱風化二長巖內，為Ⅳ～Ⅲ2類巖體，邊坡整體穩定。

2 計算模型的建立

使用有限元軟件ABAQUS，建立三維非線性有限元分析模型。三維有限元網格單元邊長總體規定為：鋼筋混凝土襯砌結構0.2～0.3 m，錨桿加固區域巖體1.0～2.0 m，外圍巖體2.0～6.0 m。

2.1 分析區域與邊界

(1) 沿水流方向，分析范圍取為泄洪放空洞進水口段開挖洞徑約4.0倍。即，泄洪放空洞結構進水口段最上游邊界(開挖邊界上游側)向上游取45.0 m，泄洪放空洞結構進水口段最下游邊界(開挖邊界下游側)向下游取65.0 m。

(2) 豎直方向(高程)，底部分析區域邊界，取泄洪放空洞底板最低處以下50 m，約為4.5倍泄洪放空洞進水口段開挖洞徑，向上取為地表。

(3) 垂直于水流的水平方向上。對于左邊界，上部取至原始地面邊界自由面，下部取為4.0 倍洞徑，約為60.0 m。對于右邊界，取為4.0 倍洞徑，約為60.0 m，引水渠開挖后形成臨空面。

分析區域的坐標軸方向分別定義為：以水流方向為X軸正方向；以鉛直高度方向向上為Z軸正方向；以垂直于水流的另一水平方向上(指水流方向的右側)為Y軸正方向。如圖1所示。

圖1 泄洪放空洞進水口段有限元模型分析區域圖 單位：m

2.2 圓形進水口方案模型

該進口整體為圓形過水斷面和圓形開挖斷面。過水斷面為直徑20 m的圓形，按照雙曲線縮小后到樁號， 過水斷面為直徑12 m的圓形斷面。整體分析模型用于模型圍巖體。圖2為圓形進水口方案襯砌結構體型圖和分析圍巖區域有限元網格圖。

2.3 方形進水口方案模型

該進口主要特征為前一段以雙曲線矩形縮小，再有矩形斷面過渡到圓形斷面。過水斷面為邊長20 m的矩形斷面，按照雙曲線縮小為邊長12 m的矩形斷面。整體分析模型用于模型圍巖體。圖3為方形進水口方案襯砌結構體型圖和分析圍巖區域有限元網格圖。

圖2 圓形進口模型圖

圖3 方形進口模型圖

2.4 圍巖參數

根據實際工程地質條件以及參照類似的工程圍巖力學參數選取，如表1所示。

表1 圍巖體物理力學參數取值表

3 圍巖穩定性分析

分析在無支護條件下，圓形和方形進口段開挖后圍巖的穩定性狀，也就是毛洞條件下圍巖穩定性狀。實際工程中，無支護情況下，施工期主要關注圍巖穩定性，描述圍巖穩定性主要指標有：圍巖位移、圍巖主應力、圍巖塑性區等。

3.1 圍巖位移對比分析

表2給出了無支護條件下進水口施工期圍巖特征點位移比對情況，從表中可知，洞頂豎直向下方向，圓形方案的位移為11.2 mm，矩形方案為15.7 mm，矩形方案較圓形方案增加40.18%；左邊墻水平向，圓形方案的位移為9.96 mm，矩形方案為14.6 mm，矩形方案較圓形方案增加46.59%；右邊墻水平向，圓形方案的位移為8.62 mm，矩形方案為14.9 mm，矩形方案較圓形方案增加72.85%。

表2 無支護條件下進水口施工期圍巖特征點位移比對表 /mm

3.2 圍巖應力對比分析

表3給出了無支護條件下進水口開挖后圍巖特征點主應力比對情況，從表中可知，對于第一主應力，圓形方案的最大值0.84(拉)，矩形方案的最大值為1.54(拉)，對于第三主應力，圓形方案的最大值為0.13(壓)，矩形方案的最大值為0.09(壓)。

表3 無支護條件下進水口開挖后圍巖特征點主應力比對表 /MPa

3.3 圍巖塑性區分布對比分析

圖4(a)、(b)分別給出了無支護條件下，圓形方案、方形體型方案泄洪放空洞進口段(樁號0+010 m)斷面，開挖后圍巖塑性區分布圖。從圖4(a)中可知，對于圓形進水口方案，洞周圍巖的塑性區最大深度約有6～7 m。對于方形體型進水口方案，洞周圍巖塑性區的最大深度約有14～16 m。

圖4 圓形和矩形方案開挖后圍巖塑性區云圖

4 結 語

采用ABAQUS有限元分析泄洪放空洞不同進水口的圍巖穩定性研究，圓形方案洞頂部豎直向下、左邊墻水平、右邊墻水平等特征位移分別為11.2 mm、9.96 mm、8.62 mm，而方形方案的位移相應增加40.18%、46.59%、72.85%。方形方案圍巖最大拉應力為1.54 MPa，較圓形方案增加約1倍，最大壓應力為8.32 MPa，減小約30%。方形體型方案的圍巖塑性區較圓形方案增加約有1倍的深度。從圍巖變形、最大拉應力以及塑性區等方面來看，無支護條件下，方形體型方案圍巖不穩定，而圓形體型方案圍巖整體上基本穩定。從無支護條件、圍巖位移、應力以及塑性區等方面比較，均表明圓形方案優于方形方案。

[1] 許傳華,任青文,李瑞.地下工程圍巖穩定性分析方法研究進展[J].金屬礦山,2003,(2):36-39.

[2] 李錫均,楊紹良,何付明.水利水電工程地下洞室圍巖穩定性分析評價方法研究[J].西部探礦工程,2007,(11):167-171.

[3] 張里程.巷道圍巖穩定性分析研究的現狀與存在的問題[J].徐州工程學院學報,2005,(3):30-33.

[4] 鄭穎人,邱陳瑜,張紅,王謙源.關于土體隧洞圍巖穩定性分析方法的探索[J].巖石力學與工程學報,2008,(10):1968-1980.

[5] 劉斌,傅金筑,王永宙,楊洋,李明剛,龔會志.橙子溝施工階段圍巖工程地質分類法初探[J].西北水電，2010，(02)：25-31，64.

Study on Analysis of Stability of Surrounding Rock of Different Intake Type of Hydraulic Tunnel

DING Xin-chao1, LIU Bin2, ZHANG Hao1

(1. POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China;2. Xi'an University of Technology, Xi'an 710048,China)

The intake of the hydraulic tunnel is classified two types in shape: square and round. In accordance with actual engineering situation and geological conditions, 3D non-linear analysis models for two different intakes are established by application of the finite element software. stress, displacement and value distribution scope of the plastic zone of the surrounding rock are compared. Finally, rationality of the selection of the round intake of the hydraulic tunnel is derived.

finite element; power intake type; stability of surrounding rock; analysis

2014-08-20

丁新潮(1976- ),男,湖北省孝感市人,高級工程師，主要從事水電工程設計工作.

TV672.1；TV698.11

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.004