某水電站引水隧洞施工與運(yùn)行期的穩(wěn)定性模擬分析

1 引言

新疆雖屬內(nèi)陸干旱區(qū)，但水資源儲(chǔ)量豐富，其水能資源總蘊(yùn)藏量達(dá)4 054 萬(wàn)kW，位居全國(guó)第四，水能資源理論蘊(yùn)藏量在1 萬(wàn)kW 以上的河流有340 條，占全國(guó)的4.96%[1]。 近年來(lái)，新疆的水利水電工程建設(shè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展， 而且在未來(lái)水電能源的占比將進(jìn)一步增加[2]。這些水電工程在開(kāi)發(fā)過(guò)程中將遇到各類(lèi)巖石， 圍巖穩(wěn)定與否將是水電工程能否安全施工和運(yùn)營(yíng)的關(guān)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(duì)象，在詳細(xì)分析其工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立三維數(shù)值模型，對(duì)施工和運(yùn)營(yíng)條件下隧洞圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。 所得結(jié)論可為新疆地區(qū)類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考和借鑒。

2 工程概況

該項(xiàng)目位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)， 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(fā)電為主，水電站發(fā)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(jī)容量49.5 MW。

引水發(fā)電隧洞穿越開(kāi)都河出山口左岸Ⅳ級(jí)基座階地，總的地勢(shì)南高北低，地形開(kāi)闊，海拔1 360.0～1 390.0 m，除個(gè)別沖溝處基巖出露外，基本為第四系上更新統(tǒng)沖積物覆蓋。 隧洞沿線沖溝走向多以NE 向?yàn)橹鳎?guī)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(fù)背斜南翼， 夾于北部的可肯達(dá)坂大斷層與南部的松樹(shù)達(dá)坂大斷層之間， 根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪成果及航衛(wèi)片解譯，隧洞區(qū)無(wú)大的斷裂構(gòu)造分布。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察， 隧洞及廠房的地層巖性主要為中泥盆統(tǒng)薩阿爾明組下亞組（D2sa）灰?guī)r、火山角礫巖及上第三系中新統(tǒng)桃樹(shù)園組砂質(zhì)泥巖。 灰?guī)r（弱風(fēng)化）烘干后抗壓強(qiáng)度為61.1 MPa、飽和抗壓強(qiáng)度為23.1 MPa、軟化系數(shù)為0.38；火山角礫巖（微風(fēng)化）烘干后抗壓強(qiáng)度為64.1 MPa、飽和抗壓強(qiáng)度為43.5 MPa、軟化系數(shù)為0.68；砂質(zhì)泥巖（弱風(fēng)化）烘干后抗壓強(qiáng)度為20.3～31.3 MPa、飽和抗壓強(qiáng)度為0.756～2.23 MPa、軟化系數(shù)為0.02～0.1；砂質(zhì)泥巖（微風(fēng)化）烘干后抗壓強(qiáng)度為14.7～37.4 MPa、飽和抗壓強(qiáng)度為0.153～6.87 MPa、軟化系數(shù)為0.009～0.34。 根據(jù)本文取樣試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，原狀砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度在5.9～7.9 MPa，浸水樣單軸抗壓強(qiáng)度在5.8～6.6 MPa。

3 三維數(shù)值計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

由于引水隧洞局部位置圍巖質(zhì)量較差，斷層交錯(cuò)，上半導(dǎo)洞開(kāi)挖后進(jìn)行錨噴和鋼支撐初期支護(hù)， 下半導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后進(jìn)行全斷面襯砌，為了對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析。 模型中考慮了各類(lèi)巖層、斷層F2 以及一條擠壓破碎帶，并詳細(xì)考慮鋼支撐、噴錨支護(hù)和混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。三維計(jì)算模型如圖1 所示。三維模型網(wǎng)格的主要單元類(lèi)型為8 節(jié)點(diǎn)六面體單元， 部分6 節(jié)點(diǎn)三棱柱單元和4 節(jié)點(diǎn)四面體單元作為過(guò)渡單元， 共37 994 個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，34 100 個(gè)單元，網(wǎng)格密度按長(zhǎng)度控制，并對(duì)隧洞部位附近巖體及斷層的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化。

計(jì)算中各種不同的工況計(jì)算考慮如下：（1）根據(jù)工程地質(zhì)條件，由于構(gòu)造應(yīng)力很小，隧洞開(kāi)挖計(jì)算中不考慮構(gòu)造應(yīng)力等因素的影響，主要考慮隧洞上覆巖層自重，以自重應(yīng)力場(chǎng)作為初始應(yīng)力場(chǎng)；（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(cè)面、底面均受法向約束；（3）假設(shè)開(kāi)挖和支護(hù)階段時(shí)間短，不考慮圍巖流變特性，后期運(yùn)行階段考慮圍巖流變特性；（4）假設(shè)引水隧洞運(yùn)行期間，力學(xué)特性有一定程度軟化。

3.2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算主要考慮以下工況：（1）天然工況。 天然應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算。 按常規(guī)彈塑性模型計(jì)算，本工況計(jì)算目的是了解洞室在開(kāi)挖之前巖體應(yīng)力場(chǎng)的分布及洞室破壞情況， 以及便于與后面的各個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比， 得出洞室在不同工況下位移的凈增量和應(yīng)力場(chǎng)的變化情況。該工況下采用M-C 模型進(jìn)行計(jì)算。 （2）施工工況。 按常規(guī)彈塑性模型計(jì)算洞室開(kāi)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?guī)r體應(yīng)力場(chǎng)和洞室變形的情況， 計(jì)算中采用分步加固的方式。 考慮到施工過(guò)程時(shí)間相對(duì)較短，該工況下同樣采用M-C模型進(jìn)行計(jì)算。 （3）正常運(yùn)行工況，考慮洞室在正常運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。 考慮到正常運(yùn)行工況下圍巖會(huì)受到長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)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(duì)相關(guān)參數(shù)的影響進(jìn)行計(jì)算，分別對(duì)運(yùn)行30 d、90 d、180 d 和360 d 后的4 種情況進(jìn)行計(jì)算。最終的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1 和表2。

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

表2 砂質(zhì)泥巖流變計(jì)算參數(shù)

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

以樁號(hào)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(yùn)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(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。 結(jié)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(hù)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(yùn)行工況下，考慮圍巖的浸水損傷效應(yīng)，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(shí)的圍巖變形值相比，增大了2～4 mm；圍巖中拉應(yīng)力也稍有增大。 綜合上述計(jì)算結(jié)果分析可以看出，浸水損傷對(duì)隧洞圍巖的變形影響是比較明顯的。

表3 運(yùn)行180 d 和360 d 工況下計(jì)算結(jié)果匯總

為了驗(yàn)證所建立模型的合理性，在上述三維模型計(jì)算范圍內(nèi)，樁號(hào)0+668.5 剖面圍巖內(nèi)布置有多點(diǎn)位移計(jì)，選取該監(jiān)測(cè)斷面拱頂監(jiān)測(cè)變形與計(jì)算變形進(jìn)行對(duì)比。 結(jié)果如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

可以看出，初期支護(hù)時(shí)，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算變形大于監(jiān)測(cè)變形，主要是由于隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，前期部分變形沒(méi)有監(jiān)測(cè)到，從而導(dǎo)致了監(jiān)測(cè)變形較小；在二次襯砌及后期運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)變形與計(jì)算變形值總體變化趨勢(shì)一致， 說(shuō)明前述建立的考慮浸水損傷的流變模型是合理的， 計(jì)算過(guò)程中采用的力學(xué)參數(shù)是合適的。 該水電站自建成以來(lái)，引水隧洞經(jīng)過(guò)幾年運(yùn)行檢驗(yàn)，目前運(yùn)行狀況正常，也說(shuō)明了本模擬結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

本章在對(duì)新疆某二級(jí)水電站引水隧洞工程概況研究的基礎(chǔ)上，利用三維數(shù)值計(jì)算，對(duì)施工工況和正常運(yùn)行30 d、90 d、180 d 和360 d 等工況下圍巖位移及襯砌的內(nèi)力進(jìn)行了計(jì)算分析，得到了以下結(jié)論：

1）初期支護(hù)后，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受部分圍巖壓力，圍巖應(yīng)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(xiàn)在洞室拱頂斷層位置，開(kāi)挖斷面變形整體趨于均勻， 說(shuō)明初期支護(hù)對(duì)于改善開(kāi)挖面淺層的巖體質(zhì)量有一定的效果，在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，最大拉應(yīng)力為0.045 MPa，位于支護(hù)結(jié)構(gòu)與斷層的相交的位置附近，最大壓應(yīng)力為1.50 MPa，出現(xiàn)在拱頂位置附近。

2）隧洞全斷面二次支護(hù)對(duì)圍巖的變形和應(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu)上，最大拉應(yīng)力為0.201 MPa，位于支護(hù)結(jié)構(gòu)與斷層的相交的位置附近，最大壓應(yīng)力為3.03 MPa，主要在斷層和支護(hù)結(jié)構(gòu)相交的位置。