某大型水電站交通洞與導流洞交叉斷面非線性三維數值模擬

嚴軍偉，孔科，鄒奧斯，何文學，汪澤川

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，成都，610072)

1 工程背景

某水電站導流洞封堵期間，庫水位上升，導流洞內處于無水無壓狀態，但交通洞與水庫相連，交通洞承受庫水位水壓且不斷增加。導流洞與交通洞交叉布置，導流洞位于交通洞頂拱上方，開挖斷面最小距離僅0.667m。為了施工方便，擬挖除該段巖塞，隨后回填C20混凝土，回填混凝土范圍為導流洞軸線兩側各2.5m，深度至交通洞襯砌混凝土上表面。

導流洞封堵期間，交通洞頂拱C25混凝土-回填C20混凝土-導流洞底板C25混凝土需共同承擔81.8m～106.8m水壓力。

該段圍巖類別為Ⅲ類，導流洞襯砌厚度0.8m，交通洞襯砌厚度1.0m。

本文主要采用三維有限元計算方法，分析交通洞與導流洞交叉段在封堵蓄水期間的位移與應力變化情況。

2 計算理論

2.1 材料模型

基巖考慮為理想彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服準則模擬；混凝土材料按線彈性材料考慮，并采用增量求解法計算。

2.2 計算方法及過程模擬

洞室開挖圍巖應力屬于完全釋放，假設不考慮圍巖蠕變，洞室開挖結束時，變形為洞室最大變形，此時澆筑襯砌混凝土或噴混凝土，混凝土澆筑完成時的形狀即為洞室變形結束的形狀，該部分變形被強迫附加于襯砌上，襯砌上的結構應力比實際大很多。故本次計算，襯砌混凝土施工前圍巖應力釋放率按60%考慮，即襯砌結構承擔40%的圍巖自重應力。

本次計算，模擬初始自重應力場、交通洞和導流洞開挖與應力釋放、襯砌混凝土施工、水庫蓄水等過程，具體施工模擬過程見表1。

表1 模擬過程

3 材料參數與計算工況

圍巖類別：Ⅲ、Ⅳ和V類，物理力學參數見表2，計算選取參數見表3。

表2 圍巖物理力學參數建議值

表3 計算中選取的材料參數

主要荷載：圍巖自重、混凝土自重及庫水壓力等。

導流洞臨時堵頭施工時間約1個月，從導流洞下閘開始后1個月內，水電站從1595.00m蓄水至1625.00m，隨后繼續蓄水至最低發電水位1650.00m。交通洞與導流洞交叉點處，交通洞頂拱下表面承擔的水頭為54.52m～109.52m(交通洞高程1540.48m)。

計算工況包括庫水位蓄水至高程1595.00m、1625.00m和1650.00m三種工況，并考慮導流洞襯砌外水壓力，折減系數按0.5考慮。

4 數值模型

4.1 坐標系與符號約定

計算模型全部采用整體直角坐標系xyz表達模型空間幾何位置，xyz坐標系遵守右手定則，x、y、z坐標方向等同如下方向。

(1)x坐標軸正向為順水流向；

(2)y坐標軸正向為垂直向上，y坐標關聯于高程；

(3)z坐標正向為導流洞左側指向右側。

在沒有特別申明的情況下，位移計算成果與坐標軸正向一致的位移動或變形值為“正值”，“負”值表示與坐標軸正向相反。

正應力計算成果：拉應力為“正值”，壓應力為“負值”。有關巖土大小應力規定符合巖土工程習慣。

4.2 有限元模型

交通洞與導流洞交叉段三維有限元模型詳見圖1。

(a)整體網格

(b)混凝土襯砌結構

(c)交叉段混凝土襯砌結構

5 計算結果與分析

5.1 圍巖位移與應力

5.1.1 位移分析

圖2-圖4表示在地應力場平衡和洞室開挖結束時圍巖位移結果。

(a)順水流向

(b)豎直向

(c)垂直水流向

(a)順水流向

(b)豎直向

(c)垂直水流向

(a)順水流向

(b)豎直向

(c)垂直水流向

從以上計算結果可知：

(1)初始應力場平衡結束時，圍巖最大位移0.17mm，滿足計算精度要求；

(2)洞室開挖結束時，隧洞開挖對洞周圍巖變形影響較大，交通洞邊墻最大水平位移1.78mm，導流洞邊墻最大水平位移1.96mm；導流洞和交通洞頂拱最大垂直方向位移6.51mm，底板最大垂直方向位移5.21mm。

綜上所述，導流洞和交通洞開挖后洞周位移均較小。

5.1.2 應力分析

圖5表示在洞室開挖結束時洞周圍巖應力結果。

(a)最大主應力σmax

(b)最小主應力σmin

(c)順水流向σ11

(d)豎直向σ22

(e)垂直水流向σ33

從以上計算結果可知：洞室開挖結束時，隧洞周邊圍巖最大拉應力3.31MPa，最大壓應力20.22MPa，均產生于交叉段附近。

5.2 襯砌位移與應力

5.2.1 位移分析

圖6-圖9分別表示交通洞和導流洞襯砌結束、蓄水至1595.00m、蓄水至1625.00m和蓄水至1650.00m襯砌結構位移結果。

(a)順水流向

(b)豎直向

(c)垂直水流向

(a)順水流向

(b)豎直向

(c)垂直水流向

(a)順水流向

(b)豎直向

(c)垂直水流向

(b)豎直向

(c)垂直水流向

從以上計算結果可知：

(1)襯砌施工結束時，交通洞邊墻最大順水流向位移1.79mm，導流洞邊墻最大垂直水流向位移1.96mm，兩洞頂拱最大垂直向位移6.70mm；

(2)蓄水至1595.00m時，交通洞邊墻最大順水流向位移1.76mm，導流洞邊墻最大垂直水流向位移1.96mm，兩洞頂拱最大垂直位移為6.56mm；

(3)蓄水至1625.00m時，交通洞邊墻最大順水流向位移1.74mm，導流洞邊墻最大垂直水流向位移2.25mm，兩洞頂拱最大垂直位移為6.68mm；

(4)蓄水至1650.00m時，交通洞邊墻最大順水流向位移1.73mm，導流洞邊墻最大垂直水流向位移2.34mm，兩洞頂拱最大垂直位移為6.72mm。

綜上所述，隨著水庫蓄水水位上升，交通洞內水壓力逐漸增大，襯砌內凹位移逐漸減小，洞頂沉降位移逐漸減小，位移值均較小。

5.2.2 應力分析

圖10-圖12分別表示交通洞和導流洞在襯砌施工完成及蓄水至1595.00m、1625.00m、1650.00m時襯砌結構應力成果。

(a)襯砌施工完成

(b)蓄水至1595.00m

(c)蓄水至1625.00m

(d)蓄水至1650.00m

(a)襯砌施工完成

(b)蓄水至1595.00m

(c)蓄水至1625.00m

(d)蓄水至1650.00m

(a)襯砌施工完成

(b)蓄水至1595.00m

(c)蓄水至1625.00m

(d)蓄水至1650.00m

從以上計算結果可知：

(1)襯砌施工結束時，交通洞和導流洞襯砌拉應力峰值為0.175MPa。

(2)蓄水至1595.00m時，交通洞底板拉應力峰值達到1.777MPa，導流洞底板拉應力峰值為0.260MPa；交通洞頂拱順水流向拉應力為1.220MPa，導流洞對應位置底板拉應力為0.15MPa。

(3)蓄水至1625.00m時，交通洞底板拉應力峰值達到2.683MPa，導流洞底板拉應力峰值為0.427MPa；交通洞頂拱順水流向拉應力為1.860MPa，導流洞位置底板拉應力為0.196MPa。

(4)水庫蓄水至1650.00m時，交通洞底板拉應力峰值達到3.438MPa，導流洞底板拉應力峰值為0.567MPa；交通洞頂拱順水流向拉應力為2.393MPa，導流洞對應位置底板拉應力為0.275MPa。

綜上所述，在施工及蓄水各階段，導流洞底板應力均較小，未達到C25混凝土抗拉強度設計值1.27MPa。

6 結論

根據對不同工況下導流洞和交通洞交叉斷面變形和應力的研究，可得出如下結論：

(1)洞室開挖后，隧洞開挖對洞周圍巖變形和應力影響較大，但洞周位移均較小。圍巖最大位移和最大拉應力均產生于導流洞和交通洞交叉斷面附近，隧洞交叉布置對圍巖變形和應力分布影響較大。

(2)洞室襯砌后，交叉段洞周位移變化較小，但洞周應力發生轉變，因導流洞底板澆筑和交叉段C20混凝土回填，交通洞頂拱出現壓應力。

(3)蓄水從1595.00m上升至1650.00m過程中，因交通洞洞內水壓力不斷增大，交通洞襯砌內凹位移逐漸減小，洞頂沉降位移逐漸減小。

(4)蓄水從1595.00m上升至1650.00m過程中，交通洞最大拉應力位于底板邊緣，并未出現在交叉段交通洞拱頂。因此，交叉段采用“交通洞頂拱C25混凝土-回填C20混凝土-導流洞底板C25混凝土”方案滿足工程要求。但交通洞頂拱拉應力達到2.39MPa，超過C25混凝土抗拉強度設計值，仍為工程薄弱環節，應加強配筋設計和施工質量控制。