某水電站引水隧洞施工與運行期的穩定性模擬分析

1 引言

新疆雖屬內陸干旱區，但水資源儲量豐富，其水能資源總蘊藏量達4 054 萬kW，位居全國第四，水能資源理論蘊藏量在1 萬kW 以上的河流有340 條，占全國的4.96%[1]。 近年來，新疆的水利水電工程建設取得了長足的發展， 而且在未來水電能源的占比將進一步增加[2]。這些水電工程在開發過程中將遇到各類巖石， 圍巖穩定與否將是水電工程能否安全施工和運營的關鍵[3]。

鑒于此， 本文以新疆某典型水電工程引水隧洞為研究對象，在詳細分析其工程地質條件的基礎上，建立三維數值模型，對施工和運營條件下隧洞圍巖的穩定性進行計算。 所得結論可為新疆地區類似工程的設計和施工提供一定的參考和借鑒。

2 工程概況

該項目位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內， 為引水式電站，其上游為A 水電站，下游為B 水電站。 背景水電站以發電為主，水電站發電引水流量170 m3/s，正常蓄水位1 351.3 m（A水電站尾水），尾水1 316.3 m，裝機容量49.5 MW。

引水發電隧洞穿越開都河出山口左岸Ⅳ級基座階地，總的地勢南高北低，地形開闊，海拔1 360.0～1 390.0 m，除個別沖溝處基巖出露外，基本為第四系上更新統沖積物覆蓋。 隧洞沿線沖溝走向多以NE 向為主，規模較大的沖溝主要有3 條（2#、3#、4#），穿越處溝底寬8.0～21.0 m，切深5.0～24.0 m。 隧洞洞線位于近東西向展布的洪水溝復背斜南翼， 夾于北部的可肯達坂大斷層與南部的松樹達坂大斷層之間， 根據地質測繪成果及航衛片解譯，隧洞區無大的斷裂構造分布。

根據工程地質勘察， 隧洞及廠房的地層巖性主要為中泥盆統薩阿爾明組下亞組（D2sa）灰巖、火山角礫巖及上第三系中新統桃樹園組砂質泥巖。 灰巖（弱風化）烘干后抗壓強度為61.1 MPa、飽和抗壓強度為23.1 MPa、軟化系數為0.38；火山角礫巖（微風化）烘干后抗壓強度為64.1 MPa、飽和抗壓強度為43.5 MPa、軟化系數為0.68；砂質泥巖（弱風化）烘干后抗壓強度為20.3～31.3 MPa、飽和抗壓強度為0.756～2.23 MPa、軟化系數為0.02～0.1；砂質泥巖（微風化）烘干后抗壓強度為14.7～37.4 MPa、飽和抗壓強度為0.153～6.87 MPa、軟化系數為0.009～0.34。 根據本文取樣試驗結果來看，原狀砂質泥巖單軸抗壓強度在5.9～7.9 MPa，浸水樣單軸抗壓強度在5.8～6.6 MPa。

3 三維數值計算模型及計算參數

3.1 數值計算模型

由于引水隧洞局部位置圍巖質量較差，斷層交錯，上半導洞開挖后進行錨噴和鋼支撐初期支護， 下半導洞開挖完成后進行全斷面襯砌，為了對其進行詳細計算分析。 模型中考慮了各類巖層、斷層F2 以及一條擠壓破碎帶，并詳細考慮鋼支撐、噴錨支護和混凝土襯砌結構。三維計算模型如圖1 所示。三維模型網格的主要單元類型為8 節點六面體單元， 部分6 節點三棱柱單元和4 節點四面體單元作為過渡單元， 共37 994 個計算節點，34 100 個單元，網格密度按長度控制，并對隧洞部位附近巖體及斷層的網格進行了細化。

計算中各種不同的工況計算考慮如下：（1）根據工程地質條件，由于構造應力很小，隧洞開挖計算中不考慮構造應力等因素的影響，主要考慮隧洞上覆巖層自重，以自重應力場作為初始應力場；（2）邊界條件均采用位移邊界條件，上邊界取自地面為自由面，兩側面、底面均受法向約束；（3）假設開挖和支護階段時間短，不考慮圍巖流變特性，后期運行階段考慮圍巖流變特性；（4）假設引水隧洞運行期間，力學特性有一定程度軟化。

3.2 數值計算參數

本次計算主要考慮以下工況：（1）天然工況。 天然應力場計算。 按常規彈塑性模型計算，本工況計算目的是了解洞室在開挖之前巖體應力場的分布及洞室破壞情況， 以及便于與后面的各個工況的計算結果進行對比， 得出洞室在不同工況下位移的凈增量和應力場的變化情況。該工況下采用M-C 模型進行計算。 （2）施工工況。 按常規彈塑性模型計算洞室開挖卸荷后加一次襯砌和二次襯砌工況， 目的是了解分步加固后洞室巖體應力場和洞室變形的情況， 計算中采用分步加固的方式。 考慮到施工過程時間相對較短，該工況下同樣采用M-C模型進行計算。 （3）正常運行工況，考慮洞室在正常運行時的應力應變分布情況。 考慮到正常運行工況下圍巖會受到長時間的時效荷載作用， 還存在浸水狀況， 該工況下按Burgers-MC 模型并考慮浸水對相關參數的影響進行計算，分別對運行30 d、90 d、180 d 和360 d 后的4 種情況進行計算。最終的計算參數見表1 和表2。

表1 數值計算參數

表2 砂質泥巖流變計算參數

4 數值計算結果分析

以樁號0+801 剖面為例， 部分條件下圍巖豎向位移云圖如圖2 所示。

圖2 運行期360 d 后圍巖位移云圖（單位：m）

部分工況下圍巖的位移以及襯砌受力的計算結果匯總如表3 所示。 結果顯示，各工況下，最大的豎向變形均在隧洞洞頂斷層位置處，一期支護后的變形值為-7.427 mm，二次襯砌后的變形值為-7.785 mm。 正常運行工況下，考慮圍巖的浸水損傷效應，30 d、90 d、180 d 和360 d 后，隧洞頂部的最大豎向變形分別為-9.815 mm、-10.327 mm、-11.053 mm 和-11.352 mm，與襯砌完成時的圍巖變形值相比，增大了2～4 mm；圍巖中拉應力也稍有增大。 綜合上述計算結果分析可以看出，浸水損傷對隧洞圍巖的變形影響是比較明顯的。

表3 運行180 d 和360 d 工況下計算結果匯總

為了驗證所建立模型的合理性，在上述三維模型計算范圍內，樁號0+668.5 剖面圍巖內布置有多點位移計，選取該監測斷面拱頂監測變形與計算變形進行對比。 結果如圖3所示。

圖3 監測結果與計算結果對比圖

可以看出，初期支護時，該監測點的計算變形大于監測變形，主要是由于隧洞開挖過程中，前期部分變形沒有監測到，從而導致了監測變形較小；在二次襯砌及后期運行過程中，監測變形與計算變形值總體變化趨勢一致， 說明前述建立的考慮浸水損傷的流變模型是合理的， 計算過程中采用的力學參數是合適的。 該水電站自建成以來，引水隧洞經過幾年運行檢驗，目前運行狀況正常，也說明了本模擬結果的可靠性。

4 結論

本章在對新疆某二級水電站引水隧洞工程概況研究的基礎上，利用三維數值計算，對施工工況和正常運行30 d、90 d、180 d 和360 d 等工況下圍巖位移及襯砌的內力進行了計算分析，得到了以下結論：

1）初期支護后，支護結構承受部分圍巖壓力，圍巖應力得到改善， 隧洞圍巖變形明顯減小， 剖面豎直向下最大位移為7.43 mm，出現在洞室拱頂斷層位置，開挖斷面變形整體趨于均勻， 說明初期支護對于改善開挖面淺層的巖體質量有一定的效果，在支護結構上，最大拉應力為0.045 MPa，位于支護結構與斷層的相交的位置附近，最大壓應力為1.50 MPa，出現在拱頂位置附近。

2）隧洞全斷面二次支護對圍巖的變形和應力能起到一定的改善作用，拱頂部分豎直向下最大位移為7.79 mm；在支護結構上，最大拉應力為0.201 MPa，位于支護結構與斷層的相交的位置附近，最大壓應力為3.03 MPa，主要在斷層和支護結構相交的位置。