深埋引水岔管圍巖穩定三維數值分析

王有為

（中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，石家莊 050031）

在實現“雙碳”戰略目標、加快構建新型電力系統進程中，抽水蓄能電站在系統中所具備的調峰、調頻、調相、儲能、系統備用、黑啟動等功能，是保障電力系統安全穩定運行、 可再生能源大規模利用的重要支撐。為降低工程造價，減小土石方開挖，抽水蓄能電站常采用聯合供水或分組供水方案， 這樣就需采用較大洞徑的發電引水隧洞和分岔管。 這類結構具有高內水壓、高外水壓和大直徑等特點，岔管結構受力復雜， 在圍巖穩定和襯砌設計等方面至今仍有許多難題需要解決［1-2］。

本文借助FLAC 3D 三維數值分析軟件對地下洞室的施工開挖、錨桿支護進行三維數值模擬，以了解各種工況下的圍巖變形、應力和塑性區分布及錨桿受力等情況，并給出相應建議，為相關研究提供參考。

1 工程概況

本文以國內某抽水蓄能電站引水岔管為例進行三維數值分析。電站引水系統采用“一洞三機”布置方式，建設上水庫進出水口、引水隧洞、引水支洞、引水事故閘門井等建筑物。 兩組引水岔管分岔角均為60°，相互間距為69 m。主管采用鋼筋混凝土襯砌，直徑為7.7 m，支管采用鋼板襯砌，直徑為3.4 m。通過采用變中心線高程設計， 讓主、 支管底部位于同一高程，保證管道放空時不用抽水即能自流排水。

引水岔管埋深約500 m，所在區域巖性以石英二長巖為主，呈整體塊狀結構，圍巖以Ⅰ類為主。裂隙不發育，有3 條由碎塊巖和斷層泥組成的小斷層。為減小外水壓力，在距引水支洞頂113 m 處設置“E”型排水洞，滲水由排水洞內的排水溝引向尾水調壓井。最大靜水頭數值約588 m， 考慮水錘和脈動壓力作用，最大設計水頭數值約735 m。

2 計算模型、參數與工況

2.1 計算模型

根據計算要求和一般經驗［3］，本模型選取范圍大于5 倍的洞徑，采用八節點六面體單元，對引水岔管岔角處重點研究的部位進行網格加密。 三維數值模型剖分網格如圖1，引水岔管剖分網格如圖2。

圖1 三維數值模型剖分網格

地應力場有限元反演分析的方法有直接調整邊界條件法和多元回歸分析法［4］。本次計算采用直接調整邊界條件法進行地應力場的反演分析， 應用摩爾-庫侖屈服準則。

2.2 計算參數

圍巖力學參數及支護參數如表1～表2。

表1 計算采用的圍巖力學參數

表2 支護參數

2.3 計算方案及工況

方案一，開挖不實施錨固支護方案；方案二，開挖并實施錨固支護方案。 兩方案對應的計算工況：①開挖完成； ②襯砌支護，2#管放空， 外水壓力p=230 m，1#管運行，外水壓力p=270 m；③運行工況，兩管道外水壓力p=300 m；④放空工況，兩管道外水壓力p=300 m。

3 效果分析

3.1 圍巖變形分析

當洞室開挖后，由于存在臨空面，圍巖發生朝向洞內的變形，主洞的變形要大于支洞變形，數值如表3。在同一橫截面中，洞室頂部的位移較大。其中，主洞和岔洞相貫處頂部巖體位移最大，數值為4.80 mm。在襯砌支護工況下，襯砌外壁作用有外水壓力， 圍巖向內位移值有所增大， 最大數值達7.00 mm。在運行工況下，在襯砌內壁內外水壓力作用下，圍巖變形有所減小，有利于圍巖穩定。在放空工況下，外水壓力增大、內水消失，主岔洞貫通處最大位移值為7.30 mm。當實施錨桿支護時，對應各工況下的圍巖位移值均有所減小， 錨桿支護對于限制圍巖變形起到一定作用。

表3 各方案工況下2#管圍巖典型斷面的最大位移值u單位：mm

3.2 圍巖應力分析

洞室開挖后打破了圍巖原有的力學平衡， 出現了應力重新分布等現象［5］。圍巖整體上處于受壓狀態。由于“卜”形結構不對稱，圍巖受力狀態較為復雜，在岔洞尖角處有較為明顯的應力集中現象。如圖3、圖4，有無錨桿支護的兩種方案下，最大壓應力變化不大，數值約24.0 MPa，發生在岔角銳角處，低于圍巖的抗壓強度。但在襯砌支護、管道放空工況下，在岔洞局部小范圍出現拉應力， 數值約1.5 MPa。在運行工況下，內水壓力部分抵消了圍巖地應力釋放，圍巖沒有出現受拉情況，有利于圍巖穩定。

圖3 方案一襯砌完建工況σ3 分布圖

圖4 方案二襯砌完建工況σ3 分布圖

3.3 圍巖塑性分析

主洞與支洞的圓形截面受力分布較為均勻，塑性區分部范圍不大。但是在岔洞處，洞室體型連續性被破壞，造成了較大范圍的巖體進入塑性屈服。在襯砌支護、管道放空工況下，主洞與支洞貫通處頂部塑性區深度最大為3.0 m。在運行工況下，由于內水壓力的壓張作用，巖體受力狀況得以改善，塑性變形得到限制。當采取錨桿支護時，塑性區開展范圍有所縮小，最大塑性屈服深度約2.0 m。

3.4 錨桿受力分析

數值分析中，按照適時支護的原則施加錨桿，采用CABLE 單元進行模擬。洞室開挖后，在襯砌支護、放空工況下，主洞與支洞貫通處的圍巖變形較大，此時錨桿能夠充分發揮限制圍巖變形的作用， 承受著較大的拉應力。如表4，在放空工況下，錨桿最大拉應力為101.86 MPa，發生在主岔洞相貫處的頂部，未超過極限抗拉強度， 這種適時支護的施工方式是可行的。

表4 典型錨桿受力成果匯總

4 結語

（1）洞室開挖后，圍巖產生向內位移，在岔洞岔角處出現應力集中現象，塑性區開展深度較大。通過對比是否實施支護兩種方案下的計算結果可以看出，實施支護措施后錨桿起到良好的加固作用，圍巖的位移值、 應力值及塑性區的開展深度均有所減小。

（2）由于岔管結構不對稱、體型復雜，在岔洞局部范圍出現拉應力。為確保洞室的長期穩定，在岔角處應重點加強支護措施，提高灌漿強度、加長加密錨桿長度，將岔洞處的尖角修為圓角，改善應力狀態。

（3） 本文對不同工況下錨桿的受力進行數值模擬，結果表明主洞與岔洞貫通處錨桿作用發揮充分，起到很好的效果。但在工程實踐中，錨桿受力情況較為復雜，與巖體特性、支護時間、施工質量息息相關，其自身特性有待深入研究。 建議洞室開挖后應及時采取噴錨支護，保證圍巖穩定。