硬梁包水電站尾水洞圍巖穩定計算分析

李凌霞，陳 濤，熊先濤，侯東奇

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川華能瀘定水電有限公司，四川 成都 626000)

1 工程概況

硬梁包水電站位于四川省甘孜州瀘定縣冷磧鎮境內的大渡河干流，上游為瀘定水電站，下游梯級銜接大崗山水電站。樞紐采用“混凝土閘和面板堆石壩+左岸引水系統+地下廠房”的總布置方案，電站總裝機容量111.6萬kW。本樞紐廠區尾水建筑物主要由尾閘室、尾水洞及尾水渠建筑物組成，并采用兩條無壓尾水洞(“兩機一洞”)+尾水閘室(室內交匯)的布置方案[1]。

1.1 尾水洞地質條件

硬梁包水電站的廠區應力場屬中～高地應力，以近EW～NWW向中～高構造應力為主，迭加自重應力。尾水洞主要位于微新閃長巖中，最大垂直埋深約630 m，總體上地質條件較好，以Ⅲ類為主，但局部洞段穿過F1、F2和F4斷層及其影響帶段，巖體呈塊裂-碎裂結構，且斷層之間發育有礦物定向排列、蝕變帶、英云團塊等破碎巖體，圍巖條件復雜。尾水洞區域的斷層性狀如表1所示。廠址區1 149.0 m高程工程地質平切示意見圖1。

表1 硬梁包尾水洞區域斷層特性

圖1 廠址區1 149.0 m高程工程地質平切示意

1.2 尾水洞結構布置

硬梁包水電站兩條尾水洞平行布置，洞軸線間距56 m，1號尾水洞長1 066.75 m，2號尾水洞長1 161.13 m，兩條尾水洞的縱坡均為0。尾水隧洞采用6.0 m×21.20 m(寬×高)城門洞型，洞頂高程為1 143.20 m，底板高程為1 122.00 m，凈斷面面積318.96 m2。為降低尾水隧洞底板與邊墻的應力集中現象，采用R100 cm進行倒角連接。硬梁包尾水洞支護設計見表2。

表2 硬梁包尾水洞支護設計

2 計算模型與參數

硬梁包水電站尾水洞的跨度大、洞較長，且圍巖條件復雜，有必要對工程進行圍巖的穩定安全計算，并研究圍巖和支護結構的受力變形情況，為工程的設計和施工提供支撐數值。鑒于隧洞圍巖的穩定問題，可以將其簡化成平面應變問題。本次計算選用ABAQUS軟件[2]，沿尾水洞軸線截取4個典型剖面，進行開挖完成以及正常運行和檢修等工況下的非線性有限元計算。巖體采用Mohr-Coulomb材料模型，錨桿和混凝土襯砌采用線彈性材料模型[3-5]。

2.1 典型剖面與數值模型

根據硬梁包尾水洞的地質條件，截?、?類圍巖和 Ⅳ 類圍巖以及斷層影響洞段的4個典型剖面進行計算，即A1-A2、B1-B2、C1-C2、D1-D2。4個剖面的有限元模型如圖2～5所示，模型特征如表3所示。

表3 有限元模型特征

圖2 A1-A2有限元模型 圖3 B1-B2有限元模型

2.2 材料參數

本次計算的巖體材料參數見表4。

圖4 C1-C2有限元模型 圖5 D1-D2有限元模型

表4 巖體材料參數

2.3 計算工況

本次計算包含開挖完成以及正常運行和檢修等工況，各工況的荷載組合如表5所示。鑒于尾水洞布置有排水設施，本次計算外部地下水位取至尾水洞洞頂。根據《水工隧洞設計規范》，Ⅲ1、Ⅳ、Ⅴ類圍巖外水壓力折減系數分別取0.20、0.35、0.35。內水位為正常運行水位1 133.72 m。

表5 計算工況與荷載組合

3 計算結果分析

各剖面的典型計算結果云圖如圖6所示。根據計算結果分析如下。

圖6 硬梁包尾水洞計算結果云圖

(1)Ⅲ1類圍巖洞段各工況下，圍巖和支護結構受力變形較小，圍巖整體穩定性較好，襯砌厚度滿足受力要求。

(2)開挖完成工況下，各剖面的圍巖變形最大。受Ⅴ類圍巖影響，B1-B2剖面1號尾水洞底板左側部位的圍巖位移達0.32 m。D1-D2剖面1號尾水洞頂拱和左側邊墻部位的圍巖位移約0.30 m。受Ⅳ類圍巖影響，C1-C2剖面1號尾水洞底板中部位移約0.11 m。

(3)正常運行工況下，受Ⅴ類圍巖影響，B1-B2剖面和D1-D2剖面襯砌拉應力較大。B1-B2剖面2號尾水洞襯砌的邊墻部位拉應力為3.68 MPa，D1-D2剖面1號尾水洞襯砌頂拱、2號尾水洞襯砌左邊墻中部部位受拉，約1.80～1.90 MPa。

(4)由各剖面塑性區結果可知，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖產生塑性區范圍較大。B1-B2剖面1號尾水洞墻角和2號尾水洞左邊墻中部的圍巖產生塑性區，范圍約10 m。C1-C2剖面1號尾水洞墻角和巖柱內產生范圍較廣的塑性區，最大延伸超過20 m。D1-D2剖面1號尾水洞左側邊墻圍巖產生較大范圍塑性區，向外延伸約20 m。

硬梁包尾水洞計算結果見表6。

表6 硬梁包尾水洞計算結果

4 結論及建議

本文采用ABAQUS軟件，對硬梁包尾水洞的4個典型剖面進行了開挖完成以及正常運行和檢修等工況下的非線性有限元計算，得出以下結論及建議。

(1)依據計算結果，硬梁包尾水洞的開挖支護設計基本滿足圍巖穩定要求。根據已建成的瀑布溝水電站、黃金坪水電站等類似工程的施工、運行情況，說明本設計是合理的。因此，硬梁包水電站尾水洞的開挖支護設計可以為后續的工程提供工程經驗。

(2)ABAQUS計算軟件能夠滿足地下隧洞開挖的圍巖穩定和支護結構分析計算。本文采用軟件自帶的嵌入模式模擬錨桿結構，計算結果相對于以往工程的實際情況偏小，后續可以采用不同方法進行錨桿的模擬計算，并對比分析計算結果。

(3)根據計算結果，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖變形較大，塑性區發展較廣，建議施工過程中密切關注地質條件和圍巖變形情況，加強監測，必要時在地質條件差的部位采取小導管等超前支護措施和深層支護措施。在襯砌受拉應力較大的部位，建議采取加大配筋面積等措施，以提高襯砌抗拉強度。

(4)由計算可知，圍巖變形對巖體彈模參數敏感性較高。在一定范圍內，當巖體彈模強度提高時，圍巖變形將大幅減小。