東牙溪水庫(kù)改造工程隧洞進(jìn)水口開(kāi)挖方案比選探析

張正茂

(福建省明興工程建設(shè)有限公司，福建 三明 365000)

1 工程背景

三明市東牙溪水庫(kù)位于閩江流域沙溪河支流東牙溪中上游，是東牙溪流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)的重要水庫(kù)，也是一座以城市供水、灌溉、發(fā)電和防洪等綜合效益的中型水庫(kù)工程。壩址以上流域面積 156 km2，多年平均流量為4.05 m3/s，多年平均年徑流量1.36億m3。水庫(kù)正常蓄水位315.55 m，死水位286.50 m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50a一遇，水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位為319.27 m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500a一遇，校核洪水位320.31 m，總庫(kù)容2263萬(wàn)m3，電站裝機(jī)規(guī)模為 3.13 MW，多年平均年發(fā)電量為1 000萬(wàn)kW·h。東牙溪水庫(kù)是三明市區(qū)30萬(wàn)居民的重要生活飲用水源地，每天向市區(qū)輸送生活用水大約10.6萬(wàn)t。東牙溪水庫(kù)為總庫(kù)容2 263萬(wàn)m3的中型水庫(kù)，目前水庫(kù)表層的水質(zhì)最好，低層取水經(jīng)常會(huì)受藻類(lèi)影響，水中異味大，并且攜帶的淤泥較多，故低層的水質(zhì)較差。現(xiàn)有的取水口僅一個(gè)取水口，無(wú)法根據(jù)水庫(kù)不同水層進(jìn)行分層取水，本工程通過(guò)對(duì)東牙溪水庫(kù)進(jìn)行分層取水改造，可顯著改善城鎮(zhèn)用水水質(zhì)，提高東牙溪水資源配置能力，提高供水保證率及飲用水安全。新建引水隧洞連接新建進(jìn)水口與現(xiàn)有引水隧洞，隧洞開(kāi)挖洞徑 3.4 m，斷面型式為馬蹄型，底寬 2.5 m，襯砌后洞徑2.6 m。由于新建引水隧洞進(jìn)口段埋深較淺，地質(zhì)環(huán)境較差，選擇合理的施工工法極為必要[1]。結(jié)合相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)和背景工程特點(diǎn)，在錨噴超前支護(hù)基礎(chǔ)上，選擇單側(cè)壁導(dǎo)坑法和環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法兩種開(kāi)挖施工方法進(jìn)行對(duì)比研究。

2 施工過(guò)程數(shù)值模擬模型

2.1 軟件簡(jiǎn)介

Midas GTS有限元軟件是背景邁斯達(dá)科技有限公司開(kāi)發(fā)的一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)巖土隧洞結(jié)構(gòu)的大型有限元分析系列軟件[2]。其中，Midas GTS NX實(shí)現(xiàn)了在GTS技術(shù)上的前處理、計(jì)算和后處理階段的功能完善，特別是新增了分析功能，可以便捷實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜荷載條件下的響應(yīng)分析，是當(dāng)前巖土行業(yè)重要的分析和設(shè)計(jì)軟件。基于此，此次研究選擇Midas GTS NX進(jìn)行背景工程的有限元計(jì)算模型構(gòu)建。

2.2 模型的構(gòu)建

任何計(jì)算模型的構(gòu)建，均需要確定合理的計(jì)算邊界范圍，過(guò)大不利于提高計(jì)算效率，過(guò)小則會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。根據(jù)相關(guān)研究成果和彈塑性理論，在地下洞室工程開(kāi)挖支護(hù)研究中，隧洞的上下和左右邊界應(yīng)該取最大開(kāi)挖洞徑的3-5倍[4]。在該范圍之外，可以認(rèn)為不受開(kāi)挖施工的影響，其產(chǎn)生的位移和應(yīng)力可以忽略不計(jì)。根據(jù)背景工程設(shè)計(jì)方案，隧洞開(kāi)挖洞徑 3.4 m。在模型構(gòu)建中上下和左右邊界均取5倍洞徑，即17 m。

在MIDAS GTS NX軟件中提供了適合巖土力學(xué)模擬計(jì)算的各種本構(gòu)模型。結(jié)合背景工程的實(shí)際情況，在開(kāi)挖支護(hù)模擬中，將隧洞圍巖材料視為各向同性材料，采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行模擬[5]；對(duì)于結(jié)構(gòu)材料均采用各向同性彈性本構(gòu)模型模擬，其中，管棚、超前錨桿等結(jié)構(gòu)采用一維植入式桁架單元模擬，噴射混凝土和二次襯砌鋼筋混凝土采用一維梁?jiǎn)卧M。在計(jì)算模型的網(wǎng)格剖分過(guò)程中，應(yīng)該按照網(wǎng)的數(shù)量、疏密、質(zhì)量、位移相互協(xié)調(diào)的原則進(jìn)行。對(duì)于同一結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的網(wǎng)格，劃分尺寸要盡可能均勻，而隧洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格要適當(dāng)細(xì)化，同時(shí)盡量使劃分的網(wǎng)格為均勻的四邊形，最終獲得10 334個(gè)網(wǎng)格單元，11 267個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元原模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 邊界條件與計(jì)算參數(shù)

根據(jù)模擬研究的實(shí)際需要，對(duì)構(gòu)建的模型施加位移邊界條件，保證模型不發(fā)生位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。具體而言，對(duì)模型的底部施加全位移約束，對(duì)模型的左右邊界施加水平位移約束，模型的上部邊界為自由邊界條件，不施加位移約束。

模型計(jì)算中材料的物理力學(xué)參數(shù)確定十分關(guān)鍵，會(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性和合理性。基于此，研究中參照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、以往的工程經(jīng)驗(yàn)以及施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)勘查資料，確定圍巖、初支和二襯結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移變形

為了更好分析兩種施工工法開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中的圍巖位移變形特征，計(jì)算中對(duì)將每個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺循環(huán)劃分為6個(gè)施工步驟，其具體內(nèi)容如表2所示。

表2 兩種不同工法開(kāi)挖步驟

利用構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)不同開(kāi)挖工法各開(kāi)挖步驟下的位移量進(jìn)行計(jì)算，并提取出位移量的最大值，結(jié)果如表3所示。由表中的數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)論是拱頂沉降變形、底部隆起變形還是拱腰的水平收斂變形，單側(cè)壁導(dǎo)坑法在變形量上均顯著小于環(huán)形開(kāi)挖留核心土法。從最終的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，單側(cè)壁導(dǎo)坑法的拱頂沉降量為20.01 mm，與環(huán)形開(kāi)挖留核心土法的30.78 mm相比，減小約35.0%；單側(cè)壁導(dǎo)坑法的底部隆起量為28.82 mm，與環(huán)形開(kāi)挖留核心土法的29.13 mm相比，減小約1.04%；單側(cè)壁導(dǎo)坑法的水平收斂量為9.60 mm，與環(huán)形開(kāi)挖留核心土法的17.54 mm相比，減小約45.3%；與由此可見(jiàn)，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖支護(hù)施工，更有利于控制圍巖的位移變形，對(duì)保證施工乃至運(yùn)行期間的輸水隧洞安全更為有利。

表3 兩種開(kāi)挖方案位移計(jì)算結(jié)果

3.2 圍巖應(yīng)力

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，對(duì)兩種開(kāi)挖施工工法下的圍巖豎向和水平應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取出隧洞圍巖的拱頂、邊墻中部和拱腳三個(gè)關(guān)鍵部位的應(yīng)力值，結(jié)果如表4所示。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，除了拱頂部位的豎向應(yīng)力兩種開(kāi)挖方法比較接近之外，其余各部位的豎向和水平應(yīng)力，均為單側(cè)壁導(dǎo)坑法相對(duì)較小，而環(huán)形開(kāi)挖留核心土法相對(duì)較大。以拱腳部位的計(jì)算結(jié)果為例，環(huán)形開(kāi)挖留核心土法的豎向應(yīng)力值為-0.444 MPa，與單側(cè)壁導(dǎo)坑法的-0.362 MPa相比，增加約22.7%；環(huán)形開(kāi)挖留核心土法的水平應(yīng)力值為-0.213 MPa，與單側(cè)壁導(dǎo)坑法的-0.164 MPa相比，增加約29.9%。

表4 圍巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.3 塑性區(qū)

利用構(gòu)建的數(shù)值模擬計(jì)算模型，對(duì)單側(cè)壁導(dǎo)坑法和環(huán)形開(kāi)挖留核心土法兩種不同開(kāi)挖工法下的圍巖塑性區(qū)分布特征進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，獲得如圖2所示的兩種不同施工開(kāi)挖工法下的圍巖塑性區(qū)分布云圖。由圖可知，兩種不同開(kāi)挖施工工法下輸水隧洞圍巖塑性區(qū)的分布特征類(lèi)似，主要集中在輸水隧洞的邊墻和拱腳部位，這與大多數(shù)軟弱破碎圍巖地下洞室工程開(kāi)挖過(guò)程中的塑性區(qū)分布特征類(lèi)似。從兩種不同施工工法的對(duì)比來(lái)看，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法的圍巖塑性區(qū)范圍最大延伸至開(kāi)挖邊界以外1.13 m，而環(huán)形開(kāi)挖留核心土法的圍巖塑性區(qū)范圍最大延伸至隧洞開(kāi)挖邊界以外1.24 m，而該開(kāi)挖施工工法下的塑性區(qū)分布面積也明顯偏大。因此，從圍巖塑性區(qū)分布特征來(lái)看，單側(cè)壁導(dǎo)坑法較為有利。

a單側(cè)壁導(dǎo)坑法 b環(huán)形開(kāi)挖留核心土法

4 結(jié) 語(yǔ)

此次研究利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)輸水隧洞進(jìn)口段單側(cè)壁導(dǎo)坑法和環(huán)形開(kāi)挖留核心土法開(kāi)挖施工工法進(jìn)行對(duì)比選擇。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法的情況下，各向位移、應(yīng)力和塑性區(qū)范圍明顯偏小，對(duì)保證施工安全順利進(jìn)行更為有利。因此，對(duì)背景工程而言，推薦采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工。當(dāng)然，數(shù)值模擬屬于理想情況下的研究方式，在實(shí)際施工過(guò)程中，其影響因素往往更多也更為復(fù)雜，因此后續(xù)還需要進(jìn)行室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行研究，確定此次研究結(jié)果的科學(xué)性與合理性，為工程施工的順利進(jìn)行提供更有利的支持和借鑒。