轎頂子電站泄洪洞和引水隧洞并行段施工方案研究

潘特

（岫巖滿族自治縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧岫巖滿族自治縣114300）

1 工程背景

轎頂子電站位于遼寧丹東寬甸滿族自治縣太平哨鎮(zhèn)轎頂子境內(nèi)的北股河干流上，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪和灌溉等諸多功能的綜合性小型水利工程，也是遼寧省十三五重點水利工程項目之一[1]。轎頂子電站壩址以上集雨面積293 km2，按照百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，千年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，設(shè)計水位293.5 m，對應(yīng)庫容0.87 億m3。水電站的主要建筑物包括混凝土重力壩、副壩、溢洪道、泄洪洞以及引水發(fā)電系統(tǒng)[2]。

受到地形和地質(zhì)等方面因素的制約，轎頂子電站的泄洪洞和發(fā)電引水隧洞均設(shè)計于大壩的左側(cè)，泄洪洞和引水隧洞線路設(shè)計時為了避開左側(cè)山體中的SK03 斷層，在進(jìn)水口以下有240 m 的并行段且距離僅有15～20 m。雖然在線路設(shè)計上避開了斷層破碎帶，但是并行段基本處于弱風(fēng)化的安山玢巖地層結(jié)構(gòu)中，局部分布有輝綠巖和強(qiáng)風(fēng)化流紋巖，洞身段的圍巖類別以Ⅲ類為主，末端圍巖類別為Ⅳ類，強(qiáng)度較低、穩(wěn)定性差。由于泄洪洞和引水隧洞之間的距離較近，兩者在施工過程中的影響不容忽視。在以往的研究中，主要是考慮新建隧洞對原有隧洞的影響，而并行施工過程中面臨的力學(xué)問題無疑更為復(fù)雜[3]?；诖?，此次研究通過數(shù)值模擬的方法，對泄洪洞和輸水隧洞施工過程中的相互影響和應(yīng)力位移特征進(jìn)行研究，以確定最為合理的施工方案，為工程的順利進(jìn)行提供必要的保障。

2 有限元計算模型的構(gòu)建

2.1 軟件選擇

Midas GTS NX 2019 是一款針對巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元分析軟件，作為一個全面的有限元分析軟件包，可處理各種巖土工程設(shè)計應(yīng)用，支持靜力分析、動力分析、滲流分析、應(yīng)力-滲流耦合分析、固結(jié)分析、施工階段分析、邊坡穩(wěn)定分析等多種分析類型，適用于各種實際工程的準(zhǔn)確建模與分析，并提供了多種專業(yè)化建模助手和數(shù)據(jù)庫[4]。同時，該軟件作為新一代巖土分析軟件，應(yīng)用了最尖端的圖形和分析技術(shù)，可以支持最新的OS 圖形用戶界面。直觀的界面將使新用戶能夠輕松地將軟件集成到他們的工作流程中。此外，該軟件還集成了混合網(wǎng)格生成功能，該功能可創(chuàng)建使用六面體和四面體元素的最佳組合網(wǎng)格集，在建模復(fù)雜幾何形狀的較尖銳的曲線和拐角時更有效[5]。鑒于該軟件的優(yōu)勢和此次研究的實際需求，利用Midas GTS NX 2019 進(jìn)行研究對象的有限元模型構(gòu)建。

2.2 模型的構(gòu)建

為了保證模擬結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，結(jié)合相關(guān)研究經(jīng)驗，確定模型的計算范圍為隧洞的上下各40 m，左右各50 m，模型的長、寬、厚分別為124 m，85 m 和30 mm[6]。其余圍巖部分利用相應(yīng)的壓力荷載施加于模型上部邊界，兩隧洞之間的間距設(shè)定為15 m。對隧洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊的圍巖部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理?？紤]圍巖的塑性變形，圍巖巖體采用Druncker-Prager 模型本構(gòu)的實體單元[7]；隧洞的初支結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)單元，錨桿則采用彈性本構(gòu)植入式桁架單元。整個模型劃分為96 681 個計算單元，102 420 個計算節(jié)點，模型的網(wǎng)格單元劃分如圖1 所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 計算參數(shù)

結(jié)合相關(guān)研究成果和工程實際情況，在數(shù)值模擬分析中進(jìn)行如下假定：研究洞段的圍巖為各向同性材料，模型采用Druncker-Prager 準(zhǔn)則進(jìn)行圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算研究，在計算過程中不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮自重應(yīng)力[8]。模擬計算中采用的材料物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.4 計算工況

此次研究的主要目的是針對不同施工方案下的圍巖應(yīng)力位移影響模擬計算，獲得最佳的施工方案。受到場地等施工要素的影響，同時兩隧洞的間距較小，因此不同時開挖施工?；诖?，研究中對泄洪洞和引水隧洞設(shè)定不同的開挖順序和不同的二襯施作順序，構(gòu)建起不同的計算工況，具體如表2 所示。

表2 計算工況設(shè)計表

3 計算結(jié)果與分析

3.1 圍巖應(yīng)力

利用已構(gòu)建的有限元模型，對不同計算工況下的隧洞圍巖應(yīng)力進(jìn)行計算，并從計算結(jié)果中提取最大和最小主應(yīng)力計算成果，結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，工況1 和工況2 相比，工況2 條件下的泄洪洞和引水洞的最大應(yīng)力相對較小，說明先開挖貫通泄洪洞對引水洞原始巖體的應(yīng)力存在比較大的影響，因此先進(jìn)行引水洞的開挖施工有利于圍巖穩(wěn)定；工況3 和工況4 的對比結(jié)果顯示，工況4 的最大和最小主應(yīng)力值相對較小，說明二襯施作的順序?qū)鷰r應(yīng)力場存在一定的影響，先進(jìn)行泄洪洞的二襯施作更為有利。

表3 圍巖主應(yīng)力計算結(jié)果MPa

3.2 圍巖位移變形

利用已構(gòu)建的有限元模型，對不同計算工況下的隧洞圍巖水平和豎向位移進(jìn)行計算，并從計算結(jié)果中提取拱頂和底板的豎向位移以及拱腰的水平位移的最大值，結(jié)果如表4 所示。表4 中，由工況1 和工況2 的結(jié)果對比可知，工況2 的拱頂沉降變形較小，同時引水洞拱腰的水平位移偏差較小，這說明工況2 的引水洞偏壓性較小。因此，泄洪洞先開挖貫通對圍巖變形的影響相對較大。由工況3 和工況4 的對比可知，工況4 不僅圍巖的位移值相對較小，且偏壓性也相對較小，因此工況4的隧洞結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。從工況2 和工況3 的對比可知，工況2 主要表現(xiàn)為兩側(cè)拱腰向內(nèi)收斂變形，工況3 則表現(xiàn)為右側(cè)向內(nèi)收斂，左側(cè)向外擴(kuò)張，呈現(xiàn)出顯著的左偏壓特征。

表4 圍巖位移變形最大值計算結(jié)果mm

3.3 初期支護(hù)應(yīng)力

利用已構(gòu)建的有限元模型，對不同計算工況下的初期支護(hù)應(yīng)力進(jìn)行計算，并從計算結(jié)果中提取初期支護(hù)的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力值，結(jié)果如表5所示。由表5 可知，各工況下的最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均出現(xiàn)在引水洞的右拱腳部位，從應(yīng)力值的具體數(shù)值來看，工況1 的最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力值明顯偏大，其余3 個工況的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力值均比較接近?？傮w來說，工況2、工況3 和工況4 的初支相對更為穩(wěn)定。但是，工況2 和工況3 的最大拉應(yīng)力值均超過噴射用C25 混凝土的最大容許拉應(yīng)力值1.78 MPa，因此在施工中需要在引水洞右拱腳部位采取必要的加固措施。

表5 初期支護(hù)主應(yīng)力計算結(jié)果MPa

4 結(jié)論

此次研究以轎頂子電站泄洪洞和引水隧洞并行段為例，利用數(shù)值模擬的方法對小凈距并行水工隧洞的施工方案進(jìn)行研究分析，獲得的主要結(jié)論如下：

1）從圍巖應(yīng)力場來看，先開挖貫通泄洪洞對引水洞原始巖體的應(yīng)力存在比較大的影響，因此先進(jìn)行引水洞的開挖施工有利于圍巖穩(wěn)定；二襯施作的順序?qū)鷰r應(yīng)力場存在一定的影響，先進(jìn)行泄洪洞的二襯施作更為有利。

2）從位移計算結(jié)果來看，泄洪洞先開挖貫通對圍巖變形的影響相對較大，工況4 的隧洞結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。

3）從初支應(yīng)力計算結(jié)果來看，工況2、工況3和工況4 的初支相對更為穩(wěn)定，但是工況2 和工況3 的最大拉應(yīng)力值均超過噴射用C25 混凝土的最大容許拉應(yīng)力值。

綜合計算結(jié)果，工況4 應(yīng)該為施工的最佳工況，也就是按照先開挖引水洞后開挖泄洪洞，先進(jìn)行泄洪洞的二襯施作，后進(jìn)行引水洞二襯施作的施工順序進(jìn)行施工建設(shè)。