某水電站尾水閘室鋼支撐支護數值模擬分析

王勇勝 姚強

摘 要：為研究深埋隧洞開挖過程中的圍巖變形和應力情況，確定隧洞支護體系中的鋼支撐數量及位置，以楊家灣水電站尾水閘室隧洞的橫向鋼支撐支護方案為研究對象，基于ANSYS有限元分析軟件對不同工況下的鋼支撐支護方案開展數值模擬計算，研究了隧洞在開挖過程中的應力應變變化情況以及隧洞鋼支撐支護后的效果，其計算成果為鋼支撐支護方案的選擇提供了理論依據。

關鍵詞：水電站;尾水閘室;鋼支撐;數值模擬

中圖分類號：TV22? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0153-03

1 工程概況

某水電站為閘壩引水式開發，水庫正常蓄水位2574m，總庫容96.1萬m3，通過左岸長11.3km的引水隧洞引水至下游地下廠房發電，電站共裝機3臺，單機容量20MW，總裝機容量60MW。工程主要水工建筑物包括首部樞紐擋水及泄水建筑物、取水建筑物、引水建筑物和廠區樞紐建筑物。

廠區樞紐的尾水閘室圍巖為新鮮的侏倭組（T3zh）③層之變質砂巖、砂質板巖互層，局部夾炭質板巖和④層之變質砂巖，局部夾砂質板巖、炭質板巖巖體。總體來看，圍巖為薄～互層狀結構，綜合為中硬巖，尾水閘室隧洞圍巖以Ⅳ類為主，穩定性差。隧洞斷面形式為直墻圓拱形（城門洞），洞高為15.3m，洞跨度為4.9m，隧洞埋深約150m，采用鉆爆法開挖。結合現場地質條件，圍巖支護形式采用厚度為20cm的C20鋼筋混凝土襯砌，隧洞邊墻到拱頂布置33根φ25錨桿，并采用I18鋼拱架和橫向鋼支撐作為隧洞的支撐結構，如圖1所示。

為確定隧洞支護體系中的鋼支撐數量及位置，本文基于大型通用有限元分析軟件ANSYS，研究深埋隧洞開挖過程中的圍巖變形和應力情況，驗證了隧洞鋼支撐支護方案選擇的正確性和合理性。

2 計算模型

2.1構建計算模型

本工程基于有限元分析軟件ANSYS，建立二維平面應變模型。坐標原點設在閘室底板的上游底角，以閘室的短邊為x軸，方向為從上游指向下游;以閘室的高度為y軸，方向為從閘室底部指向頂部。一般情況下，隧洞周圍大于3倍洞跨以外的圍巖受到隧洞施工的影響較小[1]。因此，本模型選取的計算邊界，水平方向（x軸）：長度為隧洞跨度的6倍，即長度為29.4m;豎直方向（y軸）：隧洞到底部邊界取為洞高的3倍，即隧洞頂部、底部至模型邊界均為45.9m。

建模時，在對應力、位移較敏感的錨固區進行網格劃分時，取較小的單元長度，并在洞壁進行加密;在對離洞較遠的圍巖體進行網格劃分時，取較大的單元長度[2]。這樣的網格劃分方法既不影響計算精度，又可大大節省計算時間，其有限元計算模型如圖2所示。本計算模型，隧洞圍巖采用四節點平面單元（PLANE182），支護錨桿單元采用LINK1單元，襯砌支護和鋼支撐結構采用BEAM188單元。圍巖材料和錨固區采用Drucker-Prager模型，鋼拱架和鋼支撐材料仍按彈性考慮。根據隧洞埋深情況將模型上部巖體重量換算成均布荷載施加在模型頂部邊界上[3]。在閘室的上游、下游及底部邊界均施加法向約束;頂部為自由邊界，除均布荷載外未受任何約束。計算模型物理力學指標如表1所示。

2.2計算工況

為研究深埋隧洞開挖過程中的圍巖變形和應力情況，確定隧洞支護體系中的鋼支撐數量及位置，在計算模型中共設置四個鋼支撐結構，分別沿隧洞高程等間距分布。鋼支撐從上往下依次為上一鋼支撐，上二鋼支撐，上三鋼支撐和下一鋼支撐，通過ANSYS軟件的單元生死功能實現不同鋼支撐的組合方案[4]。結合隧洞施工情況，主要分為以下計算工況：

（1）工況一：開挖后無鋼支撐方案;

（2）工況二：單鋼支撐方案（分別計算上一、上二、上三鋼支撐方案）;

（3）工況三：雙鋼支撐方案（分別計算上一 + 上二、上一 + 上三鋼支撐方案）;

（4）工況四：多鋼支撐方案（分別計算上一 + 上二 + 上三、全部四條鋼支撐方案）。

3 模擬計算及分析結果

通過對不同工況進行數值模擬，分析隧洞圍巖的位移場和塑性區，并將計算結果進行統計，如表2所示。

根據地質資料，尾水閘室隧洞圍巖以Ⅳ類為主，其抗壓強度平均值分布在50～60MPa，在本計算中取抗壓強度為50MPa。一般情況，隧洞圍巖的抗壓強度遠大于其抗拉強度。由于缺少圍巖的抗拉強度值，根據巖石的抗拉強度一般為抗壓強度的1/8～1/12進行換算，在本計算中抗拉強度取抗壓強度的1/12，即為4.17MPa。C20襯砌混凝土的抗拉強度設計值為1.1MPa。

（1）在工況一（無鋼支撐）條件下，X方向位移在隧洞頂拱部位達到最大值，位移方向為朝向洞內。隧洞頂拱部位出現最大壓應力8.1MPa，但小于C20混凝土和圍巖的抗壓強度;圍巖的最大拉應力為4.73MPa，超過了C20混凝土抗拉強度1.1MPa和圍巖抗拉強度4.17MPa。計算結果表明，隧洞結構可能將發生局部拉裂破壞，應采取適當的支護措施保證施工安全。

（2）在工況二（單鋼支撐）條件下，與工況一相比，X方向最大位移向隧洞邊墻下部轉移，頂拱部位位移減小，隧洞周邊圍巖和襯砌應力條件有了較大改善，最大壓應力為8.34MPa，小于C20混凝土和圍巖的抗壓強度;最大拉應力值明顯減小，為0.1MPa，小于C20混凝土和圍巖的抗拉強度。在有鋼支撐部位，圍巖和襯砌的應力和變形均減小，分布較均勻，最大應力和變形向無鋼支撐部位轉移。

（3）在工況三（雙鋼支撐）條件下，隧洞周邊圍巖和襯砌應力條件相比工況二有了更好的改善，最大壓應力為8.19MPa;最大拉應力值明顯減小，僅為0.18MPa，滿足設計要求。在有鋼支撐部位，圍巖和襯砌的應力和變形均減小，分布更為均勻，最大應力和變形向下部無鋼支撐部位轉移。鋼支撐方案（上一+上三）的有限元計算成果如圖3所示。

（4）在工況四（多鋼支撐）條件下，X方向最大位移沒有進一步向隧洞邊墻下部轉移，而是出現在隧洞邊墻中部，位移方向也為朝向洞內。隧洞圍巖和襯砌應力分布規律與工況三類似，第一主應力最大值0.10MPa（拉應力）和最小值2.34MPa（壓應力）均出現在隧洞邊墻中部。第三主應力最小值8.10MPa（壓應力）也出現在隧洞邊墻中部，無拉應力存在。

數值模擬計算成果表明：雙鋼支撐方案在應力和變形大小、分布規律上更優于單鋼支撐方案;雙鋼支撐方案和多鋼支撐方案在應力和變形大小、分布規律上相差不大。考慮現場方便施工，建議采用雙鋼支撐方案（上一+上三鋼支撐），可以滿足安全施工的要求。

4結語

本文基于ANSYS有限元分析軟件對不同工況下的隧洞鋼支撐支護方案開展數值模擬分析，研究了隧洞在開挖過程中的應力變化情況，其數值模擬計算結果為鋼支撐支護方案的選擇提供了理論依據，并且可使工程建設更加安全、經濟、合理。

參考文獻

[1] 劉立權，戴道永等.過水隧洞近接公路隧道開挖的安全性分析[J].筑路機械與施工機械化， 2018 （10）：84-87.

[2] 李潔，趙明階，王金海.金家壩水電樞紐導流洞開挖非線性數值模擬[J].地下空間與工程學報， 2006 （2）：229-235.

[3] 董翌.南湃水電站高壓引水隧洞開挖圍巖穩定分析研究[M].西安：西安理工大學， 2019.

[4] 張宇娜.某水電站引水隧洞開挖支護數值模擬研究[J]. 南水北調與水利科技， 2011（2）.101-104.