深埋高壓引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段圍巖穩(wěn)定性分析與支護(hù)建議

齊 凱

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程概況

某水電站設(shè)計庫容2.1億m3，裝機(jī)總?cè)萘?6MW，具有高水頭、長引水的特點(diǎn)，施工復(fù)雜、難度大。該水電站屬于二等大(2)型水利樞紐工程，主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、溢洪道和地下發(fā)電廠房和引水系統(tǒng)。引水系統(tǒng)中的引水隧洞為長距離有壓引水隧洞，總長度為5530.22m，共包括3段平洞段和兩段豎井段，其中上平洞段、中平洞段、下平洞段的長度分別為2043.21、1989.32、1198.82m。引水隧洞布置在電站大壩左岸，巖層巖性主要為安山巖或安山質(zhì)凝灰?guī)r，圍巖類別以Ⅲ類為主。在上平洞段樁號Y0+110～Y0+263，長153m的洞段為Ⅳ類巖體，處于強(qiáng)風(fēng)化或全風(fēng)化過渡帶內(nèi)。該段隧洞為圓形平底斷面設(shè)計，初步支護(hù)方案為10cm掛網(wǎng)噴、錨桿和40cm鋼筋混凝土襯砌。鋼筋網(wǎng)直徑為6.5mm，間距為200mm×200mm，采用Φ22mm錨桿，長度設(shè)計為2.0m，入巖1.9m，間距1.0m，梅花形布置。隧洞襯砌混凝土強(qiáng)度為C25，掛網(wǎng)噴混凝土為C20。本文擬在上述初步設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬的方式對圍巖支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化和方案論證，以便為隧洞開挖的最終設(shè)計提供有益借鑒。

2 計算模型與計算方案

2.1 計算模型

本研究利用Flac3D軟件進(jìn)行Ⅳ類圍巖洞段三維有限元計算模型構(gòu)建。模型的計算范圍為沿軸線方向取3.0m；根據(jù)相關(guān)研究成果，圍巖的計算范圍一般為洞徑的9倍，本研究取整為40m。在構(gòu)建的模型中，利用六面體8節(jié)點(diǎn)等參單元模擬隧洞的圍巖巖體，利用Mohr-Coulumb模型對圍巖的彈塑性變形特征進(jìn)行模擬。圍巖開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)中的噴層混凝土利用shell單元模擬；錨桿則利用彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。構(gòu)建的三維有限元整體模型包括81096個計算單元，87563個計算節(jié)點(diǎn)，其中包括3658個噴層混凝土單元和768個錨桿單元[1- 6]。整體模型如圖1所示。

模型以引水隧洞指向下游的方向?yàn)閅軸正方向，以與Y軸垂直指向右側(cè)的方向?yàn)閄軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向，以隧洞中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。模型的底部和四周施加法向位移約束，頂部設(shè)計為自由邊界。為了研究埋深的影響，研究中將頂部巖體的重力荷載以均布方式施加于模型的頂部[7]。

2.2 計算方案

針對Ⅳ類圍巖洞段的實(shí)際情況，根據(jù)隧洞的實(shí)際埋深與相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，按照有無噴錨支護(hù)設(shè)計6種方案[8- 9]，詳見表1。

圖1 整體計算模型示意圖

表1 計算方案設(shè)計表

3 計算結(jié)果與分析

3.1 圍巖開挖位移分析

利用上節(jié)構(gòu)建的模型，對不同方案下的圍巖開挖位移進(jìn)行模擬計算，計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 隧洞開挖后位移云圖

在方案F11條件下，隧洞的開挖施工會引發(fā)圍巖的應(yīng)力擾動，造成隧洞的圍巖巖體產(chǎn)生指向隧洞內(nèi)部的位移。在引水隧洞開挖完畢之后，位移呈現(xiàn)出左右對稱的特征，同時上下兩側(cè)位移量明顯偏大，最大合位移值為4.74mm，位于引水隧洞圍巖的頂部。

在方案F12條件下，隧洞的開挖施工會引發(fā)圍巖的應(yīng)力擾動，造成隧洞的圍巖巖體產(chǎn)生指向隧洞內(nèi)部的位移。在荷載釋放之后，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同承擔(dān)剩余荷載。位移呈現(xiàn)出左右對稱的特征，同時上下兩側(cè)位移量明顯偏大，最大合位移值為3.61mm，位于引水隧洞圍巖的頂部。

在方案F21條件下，開挖會造成圍巖的應(yīng)力擾動，進(jìn)而產(chǎn)生指向引水隧洞內(nèi)部的位移，呈現(xiàn)出左右對稱的特征，同時左右兩側(cè)位移量明顯偏大，最大合位移值為18.64mm，位于引水隧洞圍巖左右兩側(cè)。

在方案F22條件下，開挖會造成圍巖的應(yīng)力擾動，進(jìn)而產(chǎn)生指向引水隧洞內(nèi)部的位移，呈現(xiàn)出左右對稱分布的特征，最大合位移值為11.58mm，位于引水隧洞圍巖底部兩個角處。

在方案F31條件下，開挖會造成圍巖的應(yīng)力擾動，進(jìn)而產(chǎn)生指向引水隧洞內(nèi)部的位移，呈現(xiàn)出左右對稱的特征，同時左右兩側(cè)位移量明顯偏大，最大合位移值為40.65mm，位于引水隧洞圍巖左右兩側(cè)。

在方案F32條件下，開挖會造成圍巖的應(yīng)力擾動，進(jìn)而產(chǎn)生指向引水隧洞內(nèi)部的位移，呈現(xiàn)出左右對稱分布的特征，最大合位移值為26.76mm，位于引水隧洞圍巖底部兩個角處。

綜合上述，對于Ⅳ類圍巖洞段，當(dāng)埋深為100、200、300m且無支護(hù)開挖時，圍巖位移變形的最大值分別為4.74、18.64、40.65mm，圍巖位移值較大，穩(wěn)定性不足。在開挖荷載釋放率為85%條件下支護(hù)完成后，相應(yīng)埋深的隧洞圍巖位移最大值分別為3.61、11.58、26.76mm，相比無支護(hù)條件明顯減小，說明支護(hù)措施可以有效增加圍巖的穩(wěn)定性[10]。

3.2 圍巖開挖塑性區(qū)分析

利用上節(jié)構(gòu)建的模型，對不同方案下的圍巖開挖后的塑性區(qū)進(jìn)行模擬計算，計算結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，對于引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段，當(dāng)埋深為100、200、300m且無支護(hù)開挖時，圍巖塑性區(qū)最大深度分別為2.61、4.76、5.92m，塑性區(qū)面積分別為57.91、123.03、206.70m2，隨著埋深增加，塑性區(qū)的深度和面積顯著增大。在開挖荷載釋放率為85%條件下支護(hù)完成后，相應(yīng)埋深的隧洞圍巖塑性區(qū)深度分別為1.74、2.56、3.57m，塑性區(qū)面積分別為24.48、45.36、65.15m2，相比無支護(hù)條件塑性區(qū)深度變淺，面積也有比較明顯的減小，說明采取的開挖支護(hù)措施對增加圍巖穩(wěn)定性極為有利。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

利用構(gòu)建的模型，對F12、F22和F32等多種方案下的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表2。由表2可知，在圍巖開挖荷載釋放率為85%的條件下，如果隧洞的埋深為200m，支護(hù)完成之后噴層受到的最大壓應(yīng)力為12.76MPa，這一數(shù)值已經(jīng)大于相應(yīng)的混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；當(dāng)隧洞埋深為300m時，支護(hù)完成之后的噴層最大拉應(yīng)力值達(dá)到1.24MPa，這一數(shù)值已經(jīng)大于相應(yīng)的混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。在埋深達(dá)到300m時，錨桿的最大拉應(yīng)力達(dá)到錨桿抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，可能誘發(fā)較大范圍內(nèi)的錨桿受力屈服。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果 單位：MPa

4 結(jié)論與建議

根據(jù)模擬計算結(jié)果，與無支護(hù)條件相比，對圍巖進(jìn)行有效支護(hù)可以明顯減小圍巖位移變形、塑性區(qū)的深度和面積，說明支護(hù)措施可以有效增加圍巖的穩(wěn)定性。在輸水隧洞埋深在200m以上時，引水隧洞圍巖的塑性區(qū)深度明顯偏大，有必要設(shè)計噴錨支護(hù)措施。此外，隨著隧洞埋深增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)的噴層和錨桿受到的應(yīng)力也不斷增加，當(dāng)隧洞埋深達(dá)到200m時，噴層的最大壓應(yīng)力明顯偏大，大于施工設(shè)計中圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；當(dāng)隧洞埋深為300m時，噴層的最大拉應(yīng)力值大于噴層混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，錨桿的最大拉應(yīng)力達(dá)到錨桿抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，建議采用掛網(wǎng)噴射混凝土或鋼纖維混凝土。由于圍巖變形與塑性區(qū)深度較大，建議在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時增加錨桿的強(qiáng)度和支護(hù)強(qiáng)度，將錨桿的長度增加至4～6m，采用直徑為25mm的錨桿[11- 15]。

圖3 隧洞開挖后塑性區(qū)分布云圖