水工隧洞不同進口型式的圍巖穩(wěn)定性分析研究

丁新潮,劉 斌,張 浩

(1.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065；2.西安理工大學(xué),西安 710048)

文章編號：1006—2610(2015)02—0013—03

水工隧洞不同進口型式的圍巖穩(wěn)定性分析研究

丁新潮1,劉 斌2,張 浩1

(1.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065；2.西安理工大學(xué),西安 710048)

水工隧洞的進水口一般有方形和圓形2種不同的型式，根據(jù)實際工程概況、地質(zhì)條件,利用有限元軟件建立2種不同進水口方案的三維非線性分析模型，比較圍巖應(yīng)力、位移、塑性區(qū)數(shù)值分布范圍的結(jié)果，得出水工隧洞選用圓形進水口的合理性。

有限元;進水口型式;圍巖穩(wěn)定性；分析

0 前 言

地下工程圍巖穩(wěn)定性問題一直是巖土工程的一個重要的研究內(nèi)容，而圍巖穩(wěn)定性評價結(jié)果的正確與否直接關(guān)系到地下工程的成敗[1-4]。隨著技術(shù)和人們認識的發(fā)展，在實踐中總結(jié)出了很多圍巖穩(wěn)定性分析的方法，本文便是應(yīng)用有限元圍巖穩(wěn)定性分析的方法，解決實際工程問題。

根據(jù)一般的工程經(jīng)驗，洞室的斷面形狀對隧洞穩(wěn)定性與安全性有明顯的影響，所以水工隧洞進水口洞段的體型對其進水口段的圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生明顯的影響。因為目前還沒有大型工程的設(shè)計經(jīng)驗和工程實踐可以參考和借鑒，需要通過系統(tǒng)的分析，詳細對比分析圓形、方形進水口受力條件、運行條件、穩(wěn)定條件，提出采用圓形進水口的必要性和合理性。

1 工程概況

某水電站工程樞紐主要由面板堆石壩、右岸溢洪道、泄洪放空洞和右岸地下電站廠房組成，以發(fā)電為主。水庫總庫容16.22 億m3，最大壩高211 m，裝機容量2 200 MW，工程規(guī)模為Ⅰ等大(1)型工程。擋水、泄水及引水發(fā)電等主要建筑物級別為1級，下游消能防護及永久性次要建筑物為3級。泄洪放空洞進水口位于右岸二長巖巖體內(nèi)，屬淺埋式洞式進水口。溢洪道引渠開挖形成3 247.00 m高程大平臺后，進水口頂拱最小垂直埋深約24.0 m，左側(cè)圍巖最小厚度約40.0 m，右側(cè)距電站進水口引渠底板高程3 223.2 m約30.0 m。由于圍巖厚度相對較小，故泄洪放空洞進水口洞段的型式對其圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生明顯的影響。

泄洪放空洞進水口段(右洞0+000.00 m～右洞0+042.00 m)為中生代二長巖，巖體為弱下風(fēng)化，隧洞天然埋深為65.0～78.0 m，工程開挖后實際埋深為24.0～43.0 m。圍巖類別為Ⅲ1類[5]，基本滿足隧洞成洞要求。但二長巖中斷層及裂隙較發(fā)育，局部存在不穩(wěn)定的塊體組合。泄洪隧洞進口處岸坡主要由3種巖性組成，下部為三疊系變質(zhì)砂巖及中生代二長巖岸坡，頂部為第三系礫巖岸坡，礫巖不整合于下伏二長巖之上。進口洞臉邊坡上部第三系礫巖為強風(fēng)化Ⅳ類巖體，邊坡整體穩(wěn)定；下部位于強～弱風(fēng)化二長巖內(nèi)，為Ⅳ～Ⅲ2類巖體，邊坡整體穩(wěn)定。

2 計算模型的建立

使用有限元軟件ABAQUS，建立三維非線性有限元分析模型。三維有限元網(wǎng)格單元邊長總體規(guī)定為：鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)0.2～0.3 m，錨桿加固區(qū)域巖體1.0～2.0 m，外圍巖體2.0～6.0 m。

2.1 分析區(qū)域與邊界

(1) 沿水流方向，分析范圍取為泄洪放空洞進水口段開挖洞徑約4.0倍。即，泄洪放空洞結(jié)構(gòu)進水口段最上游邊界(開挖邊界上游側(cè))向上游取45.0 m，泄洪放空洞結(jié)構(gòu)進水口段最下游邊界(開挖邊界下游側(cè))向下游取65.0 m。

(2) 豎直方向(高程)，底部分析區(qū)域邊界，取泄洪放空洞底板最低處以下50 m，約為4.5倍泄洪放空洞進水口段開挖洞徑，向上取為地表。

(3) 垂直于水流的水平方向上。對于左邊界，上部取至原始地面邊界自由面，下部取為4.0 倍洞徑，約為60.0 m。對于右邊界，取為4.0 倍洞徑，約為60.0 m，引水渠開挖后形成臨空面。

分析區(qū)域的坐標(biāo)軸方向分別定義為：以水流方向為X軸正方向；以鉛直高度方向向上為Z軸正方向；以垂直于水流的另一水平方向上(指水流方向的右側(cè))為Y軸正方向。如圖1所示。

圖1 泄洪放空洞進水口段有限元模型分析區(qū)域圖 單位：m

2.2 圓形進水口方案模型

該進口整體為圓形過水?dāng)嗝婧蛨A形開挖斷面。過水?dāng)嗝鏋橹睆?0 m的圓形，按照雙曲線縮小后到樁號， 過水?dāng)嗝鏋橹睆?2 m的圓形斷面。整體分析模型用于模型圍巖體。圖2為圓形進水口方案襯砌結(jié)構(gòu)體型圖和分析圍巖區(qū)域有限元網(wǎng)格圖。

2.3 方形進水口方案模型

該進口主要特征為前一段以雙曲線矩形縮小，再有矩形斷面過渡到圓形斷面。過水?dāng)嗝鏋檫呴L20 m的矩形斷面，按照雙曲線縮小為邊長12 m的矩形斷面。整體分析模型用于模型圍巖體。圖3為方形進水口方案襯砌結(jié)構(gòu)體型圖和分析圍巖區(qū)域有限元網(wǎng)格圖。

圖2 圓形進口模型圖

圖3 方形進口模型圖

2.4 圍巖參數(shù)

根據(jù)實際工程地質(zhì)條件以及參照類似的工程圍巖力學(xué)參數(shù)選取，如表1所示。

表1 圍巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表

3 圍巖穩(wěn)定性分析

分析在無支護條件下，圓形和方形進口段開挖后圍巖的穩(wěn)定性狀，也就是毛洞條件下圍巖穩(wěn)定性狀。實際工程中，無支護情況下，施工期主要關(guān)注圍巖穩(wěn)定性，描述圍巖穩(wěn)定性主要指標(biāo)有：圍巖位移、圍巖主應(yīng)力、圍巖塑性區(qū)等。

3.1 圍巖位移對比分析

表2給出了無支護條件下進水口施工期圍巖特征點位移比對情況，從表中可知，洞頂豎直向下方向，圓形方案的位移為11.2 mm，矩形方案為15.7 mm，矩形方案較圓形方案增加40.18%；左邊墻水平向，圓形方案的位移為9.96 mm，矩形方案為14.6 mm，矩形方案較圓形方案增加46.59%；右邊墻水平向，圓形方案的位移為8.62 mm，矩形方案為14.9 mm，矩形方案較圓形方案增加72.85%。

表2 無支護條件下進水口施工期圍巖特征點位移比對表 /mm

3.2 圍巖應(yīng)力對比分析

表3給出了無支護條件下進水口開挖后圍巖特征點主應(yīng)力比對情況，從表中可知，對于第一主應(yīng)力，圓形方案的最大值0.84(拉)，矩形方案的最大值為1.54(拉)，對于第三主應(yīng)力，圓形方案的最大值為0.13(壓)，矩形方案的最大值為0.09(壓)。

表3 無支護條件下進水口開挖后圍巖特征點主應(yīng)力比對表 /MPa

3.3 圍巖塑性區(qū)分布對比分析

圖4(a)、(b)分別給出了無支護條件下，圓形方案、方形體型方案泄洪放空洞進口段(樁號0+010 m)斷面，開挖后圍巖塑性區(qū)分布圖。從圖4(a)中可知，對于圓形進水口方案，洞周圍巖的塑性區(qū)最大深度約有6～7 m。對于方形體型進水口方案，洞周圍巖塑性區(qū)的最大深度約有14～16 m。

圖4 圓形和矩形方案開挖后圍巖塑性區(qū)云圖

4 結(jié) 語

采用ABAQUS有限元分析泄洪放空洞不同進水口的圍巖穩(wěn)定性研究，圓形方案洞頂部豎直向下、左邊墻水平、右邊墻水平等特征位移分別為11.2 mm、9.96 mm、8.62 mm，而方形方案的位移相應(yīng)增加40.18%、46.59%、72.85%。方形方案圍巖最大拉應(yīng)力為1.54 MPa，較圓形方案增加約1倍，最大壓應(yīng)力為8.32 MPa，減小約30%。方形體型方案的圍巖塑性區(qū)較圓形方案增加約有1倍的深度。從圍巖變形、最大拉應(yīng)力以及塑性區(qū)等方面來看，無支護條件下，方形體型方案圍巖不穩(wěn)定，而圓形體型方案圍巖整體上基本穩(wěn)定。從無支護條件、圍巖位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)等方面比較，均表明圓形方案優(yōu)于方形方案。

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Study on Analysis of Stability of Surrounding Rock of Different Intake Type of Hydraulic Tunnel

DING Xin-chao1, LIU Bin2, ZHANG Hao1

(1. POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China;2. Xi'an University of Technology, Xi'an 710048,China)

The intake of the hydraulic tunnel is classified two types in shape: square and round. In accordance with actual engineering situation and geological conditions, 3D non-linear analysis models for two different intakes are established by application of the finite element software. stress, displacement and value distribution scope of the plastic zone of the surrounding rock are compared. Finally, rationality of the selection of the round intake of the hydraulic tunnel is derived.

finite element; power intake type; stability of surrounding rock; analysis

2014-08-20

丁新潮(1976- ),男,湖北省孝感市人,高級工程師，主要從事水電工程設(shè)計工作.

TV672.1；TV698.11

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.004