降雨條件下輸水隧洞并行段開挖支護方案分析

楊樹波

(朝陽宏泰水利工程監理有限公司，遼寧 朝陽 122000)

1 研究背景

轎頂子電站是遼寧省東部重要河流北股河上的一座小型水利工程，其建成和運行對改變當地的電力結構，促進區域經濟社會發展具有重要意義[1]。電站的壩址位于丹東市寬甸縣太平哨鎮轎頂子村境內，其壩址以上匯流區面積約293 km2，設計庫容0.87億m3。由于電站壩址區域為典型的河谷地帶，兩側山體高大，給工程設計和建設造成了一定的難度。由于右側地質環境整體較差，因此，電站的泄洪洞以及發電引水隧洞均設計在大壩的左側山體中。鑒于該側山體中存在SK03大型地質斷層帶，且與大壩距離較近。因此，電站的泄洪洞和引水隧洞有240.4 m的并行段且距離最近處僅有15 m。這一設計雖然避開了SK03斷層，但是，造成并行段埋深較淺，地質環境較差。其圍巖大多部位為弱風化的安山玢巖，局部分布有輝綠巖和強風化流紋巖，圍巖類別以Ⅲ類為主，個別地段為Ⅳ類。工程項目部在經過綜合論證和分析之后，決定采用先開挖引水洞后開挖泄洪洞、先進行泄洪洞的二襯施作、后進行引水洞二襯施作的施工順序進行施工建設。

項目位于遼寧省東部地區，年均降雨量為833 mm，且大部分降雨分布在夏季多雨期。另一方面，受當地典型的溫帶大陸性季風氣候特征的影響，汛期降雨多表現為短時強降雨，而持續性強降雨也不少見。由于隧洞的埋深較淺且圍巖穩定性總體較差，降雨難免會給隧洞開挖施工中的圍巖穩定性造成影響[2]?；诖?，此次研究利用數值模擬的方式，分析強降雨條件下不同施工方案的圍巖穩定性特點，并對當前選擇的施工方案作出科學評價。

2 Midas有限元模型

2.1 有限元模型的構建

Midas GTS NX軟件是一款專門針對Windows 環境開發的三維有限元模擬巖土分析軟件，具有容易學習使用、功能強大的優勢，可以有效解決巖土領域的各種復雜問題[3]?；诖?，此次研究利用該軟件進行背景工程有限元模型的構建。

結合相關研究理論和工程經驗，在此次計算過程中將模型的寬度和深度設置為隧洞洞徑的5倍[4]，上方取至地表，最終確定模型的計算尺寸為30 m×160 m×100 m。對構建的模型利用四面體單元進行網格剖分，并對隧洞周邊圍巖進行網格加密處理，最終獲得10 224個網格單元，11 053個節點。模型網格的最大尺寸為4.0 m，最小尺寸為0.8 m。

2.2 邊界條件和計算參數

模型計算過程中選取摩爾-庫倫模型作為圍巖的本構模型，地層的應力應變均屬于彈塑性范疇，因此，結構材料均選用彈性本構關系[5]。由于研究段隧洞埋深較淺，因此，不考慮地下水的作用和影響，僅考慮降雨入滲的作用，而降雨入滲會改變圍巖巖土體的飽和狀態，并對巖體的物理力學性質造成影響，并產生不同的應力和應變區，最終影響到隧洞圍巖的整體穩定性。巖體的初始應力場僅考慮圍巖自重，不考慮構造應力[6]。在數值計算過程中，對模型的底面和側面施加位移和轉角約束條件，模型的上面不施加邊界約束條件，為自由面。

模型材料的物理力學參數對計算結果存在直接影響，而降雨入滲作用下巖土體的黏聚力和內摩擦角將會發生較大的改變，這也是降雨影響圍巖穩定性特征的內在機理[7]。研究中結合相關規范和現場地質調查數據，確定如表1所示的模型材料初始值。計算過程中根據工程現場取樣的試驗室試驗數據，對降雨條件下圍巖參數進行調整并輸入模型，以模擬降雨對隧洞開挖施工過程中圍巖穩定性的影響[8]。

表1 圍巖物理力學參數

2.3 計算方案

由于背景工程的施工場地較小，在開挖施工過程中會受到諸多限制，因此，兩洞并不能同時開挖施工。結合工程項目部提出的開挖施工方案以及研究的目的和需要，設置兩洞不同的開挖和二襯施工順序，獲得如表2所示的施工方案。結合當地的降雨特征，同時考慮計算量，研究中將降雨時長設置為1 d，設置5 mm/h和10 mm/h兩種降雨雨強。

表2 計算方案設計

3 計算結果與分析

3.1 圍巖應力

研究中利用構建的有限元模型，對不同施工方案下圍巖應力分布進行分析計算，從計算結果中提取出不同計算方案下輸水隧洞圍巖的最大主應力和最小主應力值，結果如表3所示。由表中的計算結果可以看出，降雨強度對輸水隧洞圍巖的主應力存在比較顯著的影響，降雨強度越大，各方案的最大主應力和最小主應力值均顯著偏大。由此可見，在強降雨的作用下，隧洞開挖施工過程中的圍巖穩定性會受到顯著影響。從不同方案的計算結果對比來看，方案2和方案1相比，最大主應力和最小主應力值均明顯偏小，說明方案2比方案1對控制圍巖應力有利。同樣，方案4的最大主應力和最小主應力值均明顯小于方案3，因此，先施作泄洪洞二襯有利于控制圍巖應力。方案4和方案2相比，雖然最大主應力和最小主應力值偏大，但是，增大幅度有限，方案4有利于縮短工期，提高工程經濟性。因此，從圍巖應力計算結果來看，方案4最佳。

表3 主應力計算結果 MPa

3.2 圍巖位移

研究中利用構建的有限元模型，對不同施工方案下圍巖位移進行分析計算，從計算結果中提取出不同計算方案下輸水隧洞圍巖的豎向位移和水平位移的最大值，結果如表4所示。由表中的計算結果可以看出，降雨強度對輸水隧洞圍巖的位移存在比較顯著的影響，降雨強度越大，各方案的各向位移值均顯著偏大。另一方面，泄洪洞的圍巖位移值要大于引水洞，原因應該是泄洪洞的斷面相對較大，因此，更容易引起較大的圍巖位移變形。從不同開挖方案的計算結果對比來看，位移變形的變化和分布規律與應力基本一致，這也從側面印證了圍巖應力變化與位移變形的內在關系。具體來看，方案4的位移變形量整體較小，除了泄洪洞水平位移稍大于方案2之外，其余均為最小。由此可見，方案4對控制隧洞開挖施工中的位移變形較為有利，為最佳方案。

表4 塑性區面積計算結果 m2

表4 位移計算結果 mm

3.3 塑性區

塑性區是造成圍巖失穩破壞的重要因素，是研究地下洞室工程開挖施工中圍巖安全穩定性的重要指標。研究中利用構建的有限元模型，對不同開挖方案下圍巖的塑性區分布進行模擬計算，圍巖塑性區面積結果如表5所示。由表5可以看出，在降雨條件下隧洞開挖施工過程中，圍巖的塑性區面積變化規律與應力、位移變化規律相似，這里不再一一復述。整體來看，方案4的圍巖塑性區面積相對較小，對保證施工開挖過程中圍巖的安全性和穩定性最為有利。

4 結 論

(1)在降雨條件下，雨強越大隧洞圍巖的應力值、位移量和塑性區面積越大，越不利于圍巖的穩定。

(2)在開挖施工過程中，先開挖引水洞比先開挖泄洪洞有利，先進行泄洪洞二襯施作比先進行引水洞二襯施作有利。

(3)整體來看，方案4的圍巖應力值、位移量和塑性區面積較小，為最佳施工方案，而該方案就是工程項目確定的方案。因此，在持續強降雨的條件下，不需要對原方案的施工順序進行調整。

(4)鑒于強降雨條件下圍巖的位移量和塑性區范圍明顯增大，建議施工中持續關注圍巖情況，出現問題及時處理。