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      積石峽水電站導(dǎo)流洞交叉段水平層狀巖體穩(wěn)定數(shù)值仿真分析

      2011-06-12 09:22:00蘇曉軍
      水力發(fā)電 2011年11期
      關(guān)鍵詞:施工期洞室錨索

      蘇曉軍,李 龍,益 波

      (1.黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司,青海 西寧 810000;2.中國(guó)水利水電第四工程局有限公司第一分局,青海 西寧 810006;3.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710065;)

      1 工程概況

      積石峽水電站中孔泄洪洞采用 “龍?zhí)ь^”形式與導(dǎo)流洞結(jié)合布置,開(kāi)挖斷面均為13 m×15 m,結(jié)合部位交叉角 19.9°,形成跨度 28.4 m、 高度 20.59 m的城門(mén)洞形大斷面洞室。

      交叉段巖性為礫巖、中細(xì)砂巖和泥質(zhì)粉砂巖,巖層產(chǎn)狀NE13°SE∠13°,巖性呈軟硬相間互層狀分布,拱頂上方有一厚3~10 cm的軟弱夾層穿過(guò),洞室埋深大于100 m;該段巖體弱風(fēng)化,巖體中發(fā)育有三組中陡傾角裂隙,完整性差,基本屬Ⅲ類(lèi)圍巖,局部為Ⅳ類(lèi)圍巖,圍巖整體穩(wěn)定性差,特別是洞頂部位易發(fā)生坍塌掉塊。因中孔泄洪洞開(kāi)挖在先,當(dāng)導(dǎo)流洞掘進(jìn)至導(dǎo) 0+217.15(中 0+235.39) 樁號(hào)時(shí),兩洞室交角小,上游側(cè)巖墻厚度極?。ㄗ畋√幉蛔? m),兩洞室相交后存在大跨度洞室和兩洞室間巖墻穩(wěn)定問(wèn)題。故交叉段洞室的開(kāi)挖方案、支護(hù)方式及混凝土襯砌方案的選擇對(duì)洞頂圍巖的穩(wěn)定、工程安全影響很大,為此,對(duì)不同開(kāi)挖和支護(hù)方案下施工期圍巖的穩(wěn)定進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。

      2 初步擬定的施工方案和加固措施

      考慮到交叉段斷面不僅洞徑大,而且洞頂有軟弱夾層穿過(guò)、圍巖成層狀分布等具體情況,擬定了5種開(kāi)挖和支護(hù)方案進(jìn)行比較分析(見(jiàn)圖1)。由于該洞段圍巖基本屬于III類(lèi)圍巖,所以各方案支護(hù)都是緊跟掌子面進(jìn)行,支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。其中,方案1、2、3在上部7 m擴(kuò)挖后預(yù)留巖坎,在圖1a、b、c中陰影部分設(shè)置鋼管柱(直徑為1 m)支撐頂拱,再按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行支護(hù)和預(yù)應(yīng)力錨索施工及混凝土澆筑襯砌施工。

      圖1 各方案開(kāi)挖施工順序及支護(hù)示意

      3 施工期圍巖穩(wěn)定性數(shù)值仿真分析

      應(yīng)用從奧地利引進(jìn)的大型巖土工程數(shù)值仿真分析系統(tǒng)FINAL,模擬該交叉段的施工過(guò)程和支護(hù)措施,分析比較不同開(kāi)挖和支護(hù)方案下施工期圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定性。

      數(shù)值仿真計(jì)算時(shí),巖體采用三角形6節(jié)點(diǎn)等參元模擬,視為彈塑性介質(zhì),采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則判斷是否進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)?;炷羾妼?、襯砌采用曲梁?jiǎn)卧M,采用彈性本構(gòu)模型。軟弱夾層不連續(xù)面采用節(jié)理界面單元模擬,該單元可考慮軟弱夾層的張開(kāi)、閉合和滑移,按彈塑性本構(gòu)關(guān)系考慮。預(yù)應(yīng)力錨索和錨桿采用錨桿單元模擬,按彈性考慮,該桿單元可考慮桿體與巖體間的粘結(jié)力,模擬預(yù)應(yīng)力錨索或預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí),將自由部分的桿體與巖體間的粘結(jié)力取為很小的值,激活桿單元的同時(shí)在張拉端施加張拉力,同時(shí)對(duì)巖體施加反向壓力。交叉洞段斷面的有限單元網(wǎng)格見(jiàn)圖2,巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

      圖2 地質(zhì)剖面及單元網(wǎng)格

      現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試表明,該區(qū)域無(wú)構(gòu)造應(yīng)力,初始地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主。隧洞開(kāi)挖后應(yīng)力釋放,初始地應(yīng)力場(chǎng)將重新分布,與支護(hù)時(shí)機(jī)以及圍巖變形模量的釋放有關(guān)。在掌子面接近分析斷面時(shí),分析斷面內(nèi)部初始地應(yīng)力開(kāi)始釋放轉(zhuǎn)移,斷面內(nèi)開(kāi)挖單元的變形模量由原值E降到aE,根據(jù)變形模量的釋放,隧洞開(kāi)挖輪廓周邊上的等效節(jié)點(diǎn)荷載為

      表1 支護(hù)參數(shù)

      表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

      式中,{ΔFA}為地應(yīng)力釋放荷載向量;[B]為應(yīng)變矩陣;{σ0}為初始應(yīng)力向量;α(0≤α≤1.0)為空間橋跨效應(yīng)系數(shù),可根據(jù)三維解析或?qū)崪y(cè)得到;A為微元的面積;SA為積分區(qū)域。

      分析斷面距掌子面一定距離時(shí),瞬時(shí)施做噴錨支護(hù),瞬時(shí)激活預(yù)先布置的無(wú)剛度、無(wú)應(yīng)力的曲梁?jiǎn)卧蜅U單元,在整體剛度矩陣中增加曲梁?jiǎn)卧蜅U單元的剛度貢獻(xiàn),即考慮支護(hù)時(shí)機(jī)。系數(shù)α與分析斷面和掌子面的距離相關(guān),距離的變化表示掌子面的推進(jìn)過(guò)程,不同的取值可反映噴錨支護(hù)的支護(hù)時(shí)機(jī)。

      4 計(jì)算成果分析

      4.1 圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及塑性區(qū)

      施工期間圍巖的主應(yīng)力矢量場(chǎng)、總位移矢量場(chǎng)和塑性區(qū)見(jiàn)圖3,各方案施工完成后圍巖的變形和應(yīng)力值見(jiàn)表3,各關(guān)鍵點(diǎn)位置見(jiàn)圖4。開(kāi)挖和支護(hù)方案不同時(shí),圍巖應(yīng)力和變形差別不大,都是在頂拱中部出現(xiàn)最大拉應(yīng)力,其值為0.4~0.6 MPa,在導(dǎo)流洞拱肩部位出現(xiàn)最大壓應(yīng)力,其值為5.8~6.8 MPa。邊墻水平變形不超過(guò)12 mm,拱頂?shù)某两底冃尾怀^(guò)17.5 mm。相比之下,方案4施工期塑性區(qū)差別不大,開(kāi)挖完成后在隧洞邊墻4 m范圍內(nèi),頂拱5 m范圍內(nèi)出現(xiàn)塑性區(qū),均在錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)。

      圖3 方案I施工完成后圍巖主應(yīng)力矢量、位移矢量和圍巖塑性區(qū)

      圖4 洞壁圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位置示意

      4.2 錨桿軸力

      通過(guò)5種方案開(kāi)挖完成后的錨桿軸力分析表明,施工期預(yù)應(yīng)力錨索均可安全工作。頂拱處錨桿受力小于邊墻部位,當(dāng)頂拱全部采用250 kN、10 m長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)(方案3、5),邊墻部位錨桿軸力均小于設(shè)計(jì)值;但當(dāng)頂拱采用系統(tǒng)錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索加固時(shí)(方案1、2、4),泄洪洞一側(cè)邊墻中部部分錨桿軸力超過(guò)200 kN,需將錨桿間距加密為1.5 m×1.5 m。當(dāng)頂拱支護(hù)布置相同時(shí),開(kāi)挖方式對(duì)邊墻處錨桿拉拔力影響很小。預(yù)應(yīng)力錨索有利于加固大跨度洞室的拱頂圍巖,減小拱頂圍巖的拉應(yīng)力和拉應(yīng)力區(qū)。

      4.3 噴層內(nèi)力

      5種方案施工開(kāi)挖完成后噴層軸力分析見(jiàn)圖5。從圖5可以看出,不論采用那種施工方案,噴層壓應(yīng)力均小于混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,在導(dǎo)流洞邊墻中部會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力,但拉應(yīng)力值沒(méi)有超過(guò)混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。采用上下開(kāi)挖的施工方案(方案1、2、3)時(shí),受頂拱中部撐起的鋼管柱影響,該部位噴層產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中,因此全斷面開(kāi)挖完成后,頂拱中部出現(xiàn)了大約4 MPa的拉應(yīng)力,已接近鋼纖維混凝土噴層的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,使用特殊混凝土如聚丙烯混凝土可滿足要求。而采用左右開(kāi)挖的施工方案時(shí),頂拱拉應(yīng)力則不超過(guò)3 MPa,鋼纖維混凝土噴層可滿足要求。由此可見(jiàn),施工期噴層受力主要由開(kāi)挖方式控制。

      就施工期噴層受力而言,左右開(kāi)挖要優(yōu)于上下開(kāi)挖,上下開(kāi)挖時(shí)在層狀巖體中形成的大跨度洞室,對(duì)圍巖穩(wěn)定不利,盡管再向下開(kāi)挖時(shí)對(duì)圍巖和支護(hù)的受力影響不大。左右開(kāi)挖時(shí),導(dǎo)流洞一側(cè)的開(kāi)挖使泄洪洞一側(cè)的支護(hù)受力增加,但仍比上下開(kāi)挖時(shí)略小,同時(shí)左右開(kāi)挖減小了軟弱夾層對(duì)洞室穩(wěn)定的影響。預(yù)應(yīng)力錨索則可有效地加固洞室頂部的軟弱夾層。

      表3 各方案施工期洞壁圍巖關(guān)鍵點(diǎn)變形值及應(yīng)力值對(duì)比

      圖5 不同方案施工期噴層軸力比較

      4.4 襯砌內(nèi)力

      采用上下開(kāi)挖的施工方式(方案1、2、3)時(shí),襯砌要承受一部分因移去鋼管柱支撐后的圍巖變形壓力,因此,施工期拱頂中部襯砌的內(nèi)側(cè)會(huì)出現(xiàn)約2 MPa的拉應(yīng)力,最大壓應(yīng)力為4 MPa,出現(xiàn)在底板和邊墻的拐角處,1.5 m厚的混凝土襯砌配筋后可滿足要求。采用左右開(kāi)挖的施工方式,施工期襯砌基本上不承受?chē)鷰r變形壓力,因此襯砌內(nèi)力很小,最大拉應(yīng)力不超過(guò)0.3 MPa,最大壓應(yīng)力不超過(guò)1 MPa。開(kāi)挖方式的不同導(dǎo)致了襯砌受力差別很大。從襯砌受力的角度來(lái)講,左右開(kāi)挖的方案優(yōu)于上下開(kāi)挖方案。

      4.5 施工方案的選用

      經(jīng)過(guò)理論計(jì)算分析和模型數(shù)據(jù)分析,對(duì)5種開(kāi)挖、支護(hù)方案進(jìn)行綜合比較,并綜合考慮交叉段洞室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及地質(zhì)條件,決定采用方案2實(shí)施開(kāi)挖、支護(hù)。而在交叉段實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)出露的巖石裂隙發(fā)育,巖石破碎,巖坎未能完全保留,經(jīng)各方現(xiàn)場(chǎng)研究、討論,確定選用方案4,并在原開(kāi)挖施工方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化,采用增加預(yù)應(yīng)力錨桿等措施強(qiáng)化了支護(hù)。

      5 結(jié)語(yǔ)

      積石峽水電站交叉段洞室是目前國(guó)內(nèi)在白堊系水平巖層中最大的洞室之一,其穩(wěn)定數(shù)值仿真分析及其計(jì)算成果論證了特大斷面洞室開(kāi)挖施工技術(shù)的可行性,確定的開(kāi)挖、支護(hù)方案應(yīng)用效果良好,簡(jiǎn)化了工序,避免了大的塌方,確保了施工安全,加快了施工進(jìn)度,且通過(guò)對(duì)已埋設(shè)的觀測(cè)儀器的監(jiān)測(cè)分析,得到了在積石峽水電站特殊地質(zhì)條件下開(kāi)挖中的圍巖變形數(shù)據(jù),可供工程參考。

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