水工隧洞圍巖穩定及支護結構優化研究

江新春

(黑龍江省通河縣烏鴉泡鎮農業綜合服務中心，黑龍江 通河 150900)

1 工程概況

白龍江橙子溝水電站位于甘肅省武都市境內，樞紐主要效益為發電，兼具防洪灌溉，工程規模為三等中型工程，大壩正常蓄水位891.50m，壩頂高程895.50m，最大壩高19m，電站設計水頭50.3m，電站總裝機容量115MW，多年平均發電量1.4億度[1]。

引水隧洞位于白龍江右岸，隧洞全長約17.2km，為有壓引水隧洞，縱坡降為1/515。引水隧洞為圓形斷面，洞徑10.5m，Ⅲ、Ⅳ類圍巖襯砌形式為鋼筋混凝土結構，Ⅱ類圍巖襯砌為底部素混凝土及頂部噴射混凝土，洞內流速分別為3.01、2.21m/s。

2 有限元分析原理

2.1 材料破壞和屈服準則

混凝土及巖體破壞采用Drucker-Prager屈服準則[2]：

(1)

式中I1為第一應力不變量，J2為應力偏量第二不變量。

混凝土和巖石的開裂判斷采用最大拉應力準則：

σ1>σt開裂
σ1≤σt不開裂

(2)

式中：σ1為最大拉應力；σt為材料的抗拉強度。

滑移屈服采用Mohr-Coulomb準則，層間巖體的開裂破壞采用最大拉應力準則。

2.2 非線性方程組求解[3]

轉變Kp的迭代公式：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 計算分析

3.1 隧洞計算參數

隧洞選取斷面設計參數見表1，圍巖分類及物理參數[4]見表2。

表1 計算斷面及參數

表2 圍巖分類及巖體力學參數值

3.2 有限元劃分

襯砌單元網格圖見圖1，計算范圍上部取至地面，左右和下部各取70m，由于無實測地應力資料，豎直方向取自重應力，水平向構造應力為側壓力系數模擬，取值0.8和1.0。

圖1 襯砌圍巖網格圖

3.3 計算分析

工況荷載組成：內水壓力(靜水壓力+水擊壓力)+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+彈性抗力。

軟巖圍巖變形的時間效應較為明顯，本工況按極端情況考慮，即所有圍巖變形的壓力荷載都施加在支護系統上。圖示結果為當側壓力系數在1.0時，襯砌結構的應力變形結果見圖2至圖6。不同側壓力系數的圍巖應變統計表見表3。

根據計算結果分析，雖側壓力系數不同，襯砌應力最值在設計規范允許值內。鋼支撐應力平均在57MPa左右，遠小于普通鋼的容許應力，該設計方案中鋼支撐體現作用不大。本極端情況分析表明，外壓作用時支護系統強度可以保證洞室穩定。

表3 不同側壓力系數的圍巖應變統計表

圖2 圍巖襯砌內軸力

圖3 圍巖襯砌內彎矩

圖4 圍巖襯砌內側環向應力

圖5 圍巖襯砌外側環向應力

圖6 襯砌鋼支撐應力

4 圍巖襯砌厚度優化分析

圍巖段的二襯鋼筋混凝土襯砌厚度，原設計根據內壓的大小采用30cm和50cm兩種方案[5]。現再取45cm和40cm進行計算分析，討論合理的襯砌厚度。計算時取最大的內壓和外壓進行分析。

4.1 外壓情況的計算結果

此工況僅考慮外壓和自重，模擬施工和檢修情況。不同襯砌厚度的圍巖應變結果見表4。

表4 圍巖襯砌應變結果表

計算表明，在128m外壓作用下，襯砌厚度減至40cm時，襯砌中的最大壓應力為5.26MPa，在混凝土允許抗壓強度內。因襯砌全斷面受壓，可按最小配筋率進行配筋。襯砌厚度的設計不受外壓影響。

4.2 內壓情況的計算結果

計算時僅考慮內壓，內壓取最大值84.5m，此情況模擬無外水壓力的情況。計算結果見表5。

表5 圍巖襯砌應變結果表

計算表明，在最大內壓作用下，襯砌最大拉應力已超出混凝土的設計抗拉強度。可見襯砌厚度的設計受內壓控制。

4.3 內壓和外壓共同作用的情況

實際襯砌有很大可能受外水壓作用。下面取兩種外壓(128m，60m)進行計算分析，結果見表6。

表6 圍巖襯砌應變結果表

計算表明，在內壓84.5m，外壓128m作用下，襯砌基本受壓；當外壓降至60m時，襯砌已全部受拉，襯砌厚度為40cm時的最大拉應力為0.616MPa，在混凝土設計抗拉強度內。故認為外壓超過60m的洞室圍巖，襯砌厚度可降至40cm。在內壓84.5m，外壓128m作用下，襯砌全斷面受壓，按最小配筋率配筋即可；外壓減至60m時，襯砌逐漸受拉。

4.4 灌漿區圍巖彈模提高10%的計算結果

計算結果見表7。

表7 各量的最大值

計算表明，灌漿區彈模提高10%，襯砌壓應力降低，拉應力增加，變化幅度較小在5%左右，和外壓相比，襯砌拉應力降低的效果要小。故灌漿可作為設計襯砌的后續方案。初步結論：對Ⅲ類圍巖，二襯襯砌厚度的設計受內壓控制。對外壓60m以上的洞室圍巖，襯砌厚度可降低至40cm，減小工程量，降低工程造價。

5 結 論

基于非線性原理和材料屈服破壞原則，結合實際水工隧洞建立三維有限元模型，計算隧洞在一、二襯聯合受力下的洞室應力應變，提出襯砌結構的設計優化方案，綜合認為，鋼支撐設計應結合地質條件決定，在外水壓不高的地段，開挖后施加系統錨桿，可提升圍巖局部穩定性，掛網素噴混凝土中設置排水孔，可確保一襯和圍巖的整體穩定，達到工程建設的安全穩定和經濟合理。