導流泄洪洞進口卵礫石洞段開挖工法優化研究

武子桓

（遼寧西北發電有限責任公司，遼寧沈陽110116）

1 工程概況

三灣電站是遼寧省十三五重點水利工程項目，是一座以防洪和發電為主，兼有其他多種功能的綜合性水利工程。電站壩址位于丹東鳳城市東湯鎮三灣村境內的愛河干流上[1]。電站工程主要由大壩、溢洪道、導流泄洪洞及發電引水工程組成。其中，電站的大壩為漿砌石拱壩壩型設計，最大壩高66.00 m，壩軸線長231.10 m；大壩上游水庫的設計庫容為 2 430 萬 m3，設計裝配 3×8 MW 貫流式水力發電機組，裝機總容量為24 MW。三灣水電站的導流泄洪洞主要承擔施工期間的導流和電站運行期間的泄洪任務[2]。導流泄洪洞位于大壩右岸，上部是典型的低山丘陵地貌，同時相對埋深僅為15 m 左右，且巖體較為松散，其中存在較多的裂隙和斷裂破碎帶，較小的埋深和復雜的地質條件給開挖施工工作造成了諸多困擾。穿越卵礫石層的地下洞室工程條件復雜，施工難度較大，對其施工工法進行研究具有重要的工程實踐價值。為了保證施工的順利進行，首先需要結合工程設計和地質環境特點，選擇合適的施工工法。基于此，工程項目部初步擬定了三臺階法和七步開挖法，通過對比和優選確定最佳的施工工法[4]。

2 計算模型的構建

2.1 軟件選擇

Midas GTS NX 2019 是一款針對巖土領域研發的通用有限元分析軟件，作為一個全面的有限元分析軟件包，可處理各種巖土工程設計應用，支持靜力分析、動力分析、滲流分析、應力-滲流耦合分析、固結分析、施工階段分析、邊坡穩定分析等多種分析類型，適用于各種實際工程的準確建模與分析，并提供了多種專業化建模助手和數據庫[5]。同時，該軟件作為新一代巖土分析軟件，應用了最尖端的圖形和分析技術，可以支持最新的OS 圖形用戶界面。直觀的界面將使新用戶能夠輕松地將軟件集成到他們的工作流程中。此外，該軟件還集成了混合網格生成功能，該功能可創建使用六面體和四面體元素最佳組合的網格集，在建模復雜幾何形狀較尖銳的曲線和拐角時更有效[6]。鑒于該軟件的優勢和此次研究的實際需求，利用Midas GTS NX 2019 進行研究對象的有限元模型構建，對不同施工工法下的典型部位位移進行模擬計算，以獲取最佳施工方案。

2.2 計算模型

根據相關研究成果，地下洞室工程在開挖完畢后，距離開挖斷面中心點5～7 倍開挖直徑的范圍內存在圍巖應力應變的影響[7]。為了保證結果的準確性，研究中的計算模型邊界取10 倍洞徑，模型的長度為50 m，最終確定模型的尺寸為80 m×50 m×80 m。計算模型以隧洞中線指向下游的方向為Y軸正方向，以垂直于Y軸指向右側的方向為X軸正方向，以豎直向上的方向為Z軸正方向。對模型的底部施加全位移約束，模型的左右兩側施加X方向位移約束，模型的前后施加Y方向位移約束，模型的上部為自由邊界條件[8]。對模型進行六面體八節點實體單元劃分。

2.3 參數選取

為了簡化模型，提高模型的計算效率，對研究洞段的圍巖采用摩爾-庫侖本構模型，支護結構混凝土按線彈性本構模型處理；初支結構和二次襯砌的厚度分別為27 cm 和45 cm，均采用板單元模擬；系統錨桿直徑22 mm，長4.0 m，采用植入式桁架單元定義；超前小導管的加固循環為6.0 m，在預加固完成之后，圍巖的粘聚力、內摩擦角及彈性模量可以分別提升90%，50%和95%左右。結合上述分析及工程資料，確定如表1 所示的模型物理力學參數。

表1 模型物理力學參數

3 計算結果與分析

利用已構建的計算模型，對采用三臺階開挖施工工法下的隧洞位移進行模擬計算，從結果中提取拱頂沉降和周邊收斂變形量進行統計計算，結果見表2。由表2 可以看出，從拱頂沉降占總位移的比例大小來看，上臺階最大、中臺階次之、下臺階最小；從周邊收斂占總位移的比例來看，其排列順序分別為中臺階、上臺階和下臺階。從位移計算結果來看，如果對研究洞段采用三臺階法開挖，下臺階開挖過程中的位移變形量相對較小，而上臺階和中臺階開挖過程中的位移變形量相對較大。

表2 三臺階法位移變形計算結果

利用已構建的計算模型對采用七步法開挖施工工法下的隧洞位移進行模擬計算，從結果中提取拱頂沉降和周邊收斂變形量并進行統計計算，結果見表3。由表3 可以看出，上臺階開挖過程中的拱頂沉降量占比最大，其次是中臺階核心土，第三次是下臺階核心土；上臺階開挖過程中的周邊收斂變形量占比也最大，中臺階左，第三次中臺階右。總體來看，上臺階與核心土在開挖過程中會導致較大的位移變形。

表3 七步法位移變形計算結果

對比表2 和表3 可以看出，三臺階開挖法的拱頂沉降位移量的最大值為40.25 mm，七步法的最大值為35.22 mm；七步法的位移變形量相對較小，具有較為明顯的優勢，推薦在工程施工中采用。

在確定采用七步法進行進口段開挖施工之后，需確定合理的開挖步長，為施工的順利進行提供必要的支持。研究中設計了0.5，1.0，2.0，3.0 m等4 種不同的開挖進尺，利用構建的數值模型進行位移變形模擬計算。根據計算結果，繪制出拱頂沉降變形量和周邊收斂變形量隨開挖進尺的變化曲線，如圖1 所示。從圖1 看，隨著開挖進尺的增大，拱頂沉降和周邊收斂變形量均呈現出不斷增大的變化特征。同時，當開挖進尺較小（小于1.0 m）時，拱頂沉降和周邊收斂變形量的增加幅度相對較小，當開挖進尺較大（大于1.0 m）時，拱頂沉降和周邊收斂變形量的增加幅度開始迅速增大。結合計算結果，同時考慮工程施工的經濟性，建議采取1.0 m 的開挖進尺。

圖1 位移變形隨開挖進尺變化曲線

4 結論

此次研究是利用數值模擬的方法對遼寧省三灣水電站導流泄洪洞進口的開挖施工工法和施工參數進行比選和優化研究，得出：1）施工如果采用三臺階法，拱頂沉降和周邊收斂變形主要出現在上臺階和中臺階開挖過程中；如果采用七步法，拱頂沉降和周邊收斂變形主要出現在上臺階和核心土的開挖過程中；2）兩種開挖施工工法位移量的對比顯示，七步法的位移變形量較小，建議在工程施工中選用；3）同時根據模擬計算結果，考慮工程施工成本，施工中應選擇1.0 m 的開挖進尺。