阿爾塔什水利樞紐埋藏式調(diào)壓井穹頂施工數(shù)值仿真

吳俊杰

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 研究背景

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者致力于地下埋藏式調(diào)壓井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開挖施工支護(hù)措施[1]。張少炫等[2]介紹了烏東德水電站左岸地下埋藏式調(diào)壓井穹頂?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)、施工重點(diǎn)與難度、主要質(zhì)量安全及技術(shù)保障措施以及開挖、支護(hù)的施工技術(shù)。鄧擁軍等[3]介紹了糯扎渡水電站尾水調(diào)壓井穹頂工程地質(zhì)條件、施工風(fēng)水電布置、施工技術(shù)難點(diǎn)及開挖支護(hù)施工技術(shù)。閉少剛[4]介紹了猴子巖水電站地下廠房錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工業(yè)及主要技術(shù)方案。田樹申等[5]介紹了溧陽抽水蓄能電站調(diào)壓井穹頂在遇見不良地質(zhì)條件下采用中導(dǎo)洞先行，兩側(cè)盤旋開挖與支護(hù)的施工方法，砂漿錨桿與預(yù)應(yīng)力貌似相間布置后進(jìn)行掛網(wǎng)噴護(hù)的聯(lián)合支護(hù)手段，最終效果較好。何寨兵[6]介紹了惠州抽水蓄能電站工程中的調(diào)壓井穹頂爆破開挖技術(shù)。鄧洋等[7]采用三維非線性有限元法計(jì)算了蓄集峽水電站埋藏式調(diào)壓井在無支護(hù)條件下的圍巖應(yīng)力變形特征，以及采用噴錨支護(hù)措施后巖體塑性區(qū)與變形的影響。成少君[8]介紹了水電站調(diào)壓在受施工場地及不良地質(zhì)條件限制不能用機(jī)械施工時，在確保施工安全、質(zhì)量、工期的前提下，最終采用“先導(dǎo)井后擴(kuò)挖”全人工施工工藝。大多數(shù)深埋藏式調(diào)壓井穹頂?shù)拈_挖都是制定施工方案，缺少全面評價施工方案合理可行性的計(jì)算成果[9-16]。如若在調(diào)壓井開挖前期全面計(jì)算圍巖穩(wěn)定性，開挖、支護(hù)的合理性，這對此類工程的施工方案制定具有一定指導(dǎo)作用。

阿爾塔什水利樞紐工程發(fā)電洞調(diào)壓井頂拱為球冠型[17]，橫向跨度23 m，國內(nèi)外類似工程發(fā)電洞深埋式調(diào)壓井都很少遇見如此大跨度的洞室開挖，可借鑒案例較少。根據(jù)現(xiàn)場施工情況，施工單位制定初步開挖方案，然而，調(diào)壓井面臨上部圍巖較薄、開挖跨度大，施工單位開挖大跨度穹頂經(jīng)驗(yàn)較少，為了安全起見，嘗試采用三維有限元法，全面、完整地掌握地下埋藏式調(diào)壓井穹頂開挖支護(hù)過程中圍巖的應(yīng)力變形狀況，評價本工程地下埋藏式調(diào)壓井穹頂施工順序的合理性，并提出更合理的開挖支護(hù)方案。

2 工程概況及施工方案

2.1 工程概況位于新疆維吾爾自治區(qū)莎車縣的阿爾塔什水利樞紐工程承擔(dān)灌溉、防洪、發(fā)電等綜合任務(wù)，并且每年向塔里木河進(jìn)行3.3億m3的生態(tài)供水。水庫總庫容為22.40億m3，正常蓄水位1820 m，最大壩高164.8 m，裝機(jī)總量為690 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量為22.65億kW·h，控制灌溉面積為412.7萬畝，工程規(guī)模為大（1）型Ⅰ等工程[18]。兩條發(fā)電洞分別布置在壩體右岸，1#、2#調(diào)壓井體型一致，調(diào)壓井位于地下56～67 m范圍內(nèi)，屬于地下埋藏式調(diào)壓井，頂拱均為球冠型，球冠橫向跨度23 m，調(diào)壓井拱頂中心高程1846.00 m，豎井底部高程為1735.44 m。調(diào)壓井上室底部高程為1819.20～1820.6 m（坡降1/100），頂部高程1831.80 m。調(diào)壓井縱、橫剖面圖，如圖1所示。

圖1 調(diào)壓井縱、橫剖面圖

2.2 發(fā)電引水洞地質(zhì)條件發(fā)電引水洞調(diào)壓井上覆巖體厚度56～67 m，調(diào)壓井頂拱上部圍巖為白云質(zhì)灰?guī)r，厚度20～40 m，其上部為石膏層、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖厚度在25～30 m左右，該段整個巖體都比較完整，屬于Ⅲ類圍巖。調(diào)壓井底以上40 m至頂拱圍巖為白云質(zhì)灰?guī)r，次塊狀結(jié)構(gòu)，主要發(fā)育L1、L2兩組裂隙，巖體較完整，為Ⅲ類圍巖。調(diào)壓井底以上19 m至40 m圍巖為泥質(zhì)砂巖、白云質(zhì)灰?guī)r及石膏夾層，互層狀結(jié)構(gòu)，巖體結(jié)構(gòu)面以層面為主，巖層傾角約為40°，巖體完整性差，為Ⅳ類圍巖。調(diào)壓井底至19 m，圍巖為泥巖、砂巖、灰?guī)r互層，多為軟質(zhì)巖，互層狀結(jié)構(gòu)，受F102影響，巖體完整性差或較破碎，圍巖穩(wěn)定性差，以Ⅳ類圍巖為主。調(diào)壓井底以上15～33 m范圍內(nèi)發(fā)育F102，順層發(fā)育，該段傾角約為40°，破碎帶厚度2.5～4 m，主要為斷層角礫巖，并伴生厚度0.9 m的石膏層，洞壁干燥無地下水。根據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)論可知，圍巖應(yīng)力以自重應(yīng)力場為主。

2.3 開挖方法施工現(xiàn)場提供的開挖次序如圖2所示。具體開挖次序①—⑤，第①步利用3#交通洞鉆爆臺車開挖環(huán)形導(dǎo)洞，后續(xù)第②—⑤區(qū)開孔進(jìn)行爆破。從3#交通洞與兩個調(diào)壓井相接處（高程1833.0 m）分別沿3#交通洞洞底高程（1833.0 m）開挖一條環(huán)形導(dǎo)洞，導(dǎo)洞斷面為8 m×9.456 m（寬×高）城門洞型。在頂拱中部預(yù)留7 m直徑的圓柱形巖體，最后分層開挖中心巖柱。開挖過程中臺車高度不夠時在導(dǎo)洞底部墊渣。

2.4 支護(hù)方法一次支護(hù)型式：砂漿錨桿直徑2.5 cm，長8.5 m，采用間距2 m×2 m梅花形布置。100 t級預(yù)應(yīng)力錨索采用間距5 m×5 m梅花形布置，掛網(wǎng)噴護(hù)的鋼筋直徑為8 mm，間距0.2 m×0.2 m，采用C30混凝土噴護(hù)厚度0.2 m，井筒以下采用直徑2.5 cm長4.5間距2 m×2 m的砂漿錨桿，8.5 m長Φ25@2×2m砂漿錨桿，3根9 m長Φ25@2×2m錨筋樁，I18工字鋼，Φ8@200×200 mm掛網(wǎng)鋼筋，C30噴混凝土進(jìn)行支護(hù)。

圖2 調(diào)壓井穹頂開挖施工順序（單位：m）

3 三維有限元分析

3.1 有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格剖分調(diào)壓井穹頂為拱形結(jié)構(gòu)，主要分擔(dān)頂部圍巖傳遞來的豎向荷載，為豎井開挖支護(hù)提供安全施工平臺。本次通過建立調(diào)壓井三維有限元實(shí)體模型，圍巖采用8結(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元，結(jié)點(diǎn)數(shù)為50 275，單元數(shù)為48 122。錨桿結(jié)點(diǎn)總數(shù)為1781，單元總數(shù)為1644。預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)點(diǎn)總數(shù)為550個，單元總數(shù)為528個。預(yù)應(yīng)力錨索、系統(tǒng)錨桿采用桿單元進(jìn)行模擬，預(yù)應(yīng)力施加采用虛擬溫度控制錨索的軸向應(yīng)力引起的伸縮變形，以便讓預(yù)應(yīng)力錨索達(dá)到設(shè)計(jì)施加噸位后在適合時間再進(jìn)行預(yù)緊。施工開挖、一次支護(hù)、二次支護(hù)過程采用單元生死控制，巖體看作是理想彈塑性材料，本構(gòu)采用摩爾庫倫模型并采用非相關(guān)聯(lián)流動法則。整體模型邊界條件：底面全約束，各個豎向面約束法向位移。計(jì)算參數(shù)如表1所示，剖分網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 調(diào)壓井二次支護(hù)及豎向開挖三維有限元整體模型圖

3.2 計(jì)算參數(shù)根據(jù)前期試驗(yàn)成果及經(jīng)驗(yàn)類比，提出穹頂飽和巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值，具體參數(shù)如表1所示，預(yù)應(yīng)力錨索的線性熱膨脹系數(shù)取1×10-5，彈性模量為208 GPa，泊松比為0.3。

3.3 數(shù)值模擬工況往往施工開挖方案在制定過程中多借助成功經(jīng)驗(yàn)或傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)法，該方法不能充足考慮及量化各個施工環(huán)節(jié)和工序?qū)鷰r應(yīng)力變形的影響，因此，采用三維有限元數(shù)值模擬的方法計(jì)算此類施工方案的合理性。本次計(jì)算時考慮巖體的初始地應(yīng)力及現(xiàn)場實(shí)際開挖方案，制定數(shù)值模擬開挖次序，計(jì)算的方案采用施工方提供的方案，采用“新奧法”中的分部開挖方式進(jìn)行開挖，為了安全后續(xù)開挖也做適當(dāng)調(diào)整。具體開挖次序如圖4所示。

3.4 開挖與一次支護(hù)過程仿真成果分析為了縮短工期，加快施工速度，施工現(xiàn)場在開挖穹頂時提出先開挖1～8步的環(huán)形導(dǎo)洞，之后直接將圖4中的12步中導(dǎo)柱開挖完，通過初步計(jì)算按照不支護(hù)開挖來說，穹頂豎向最大豎向變形為14.5 mm，沿著穹頂與豎向井筒交接處的塑性分布范圍較深，向下繼續(xù)開挖執(zhí)行13～16步。穹頂豎向最大豎向變形為15.5 mm，見圖5，雖然未超過頂拱最大允許變形撓度為1/1000L為23 mm，但是對于工程安全富裕較小。同時，頂部部分區(qū)域出現(xiàn)局部拉應(yīng)力，后續(xù)開挖過程中頂部會產(chǎn)生局部掉塊對整個施工安全造成一定影響。因此，不采用任何支護(hù)方式直接開挖方案是不可行的。

表1 材料參數(shù)表

圖4 調(diào)壓井頂拱、錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索施工順序

圖5 調(diào)壓井頂拱無支護(hù)開挖位移與應(yīng)力云圖（單位：位移m，應(yīng)力Pa）

通過初步分析可知，中導(dǎo)柱對穹頂豎向變形及塑性范圍影響很大，因此，設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，在中導(dǎo)柱開挖之前盡可能將設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)錨桿與100 t預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)施工完畢，之后再開挖中導(dǎo)柱，根據(jù)穹頂變形以及應(yīng)力塑性區(qū)分布情況，制定了二次支護(hù)的必要性，以下是具體分析過程。

根據(jù)現(xiàn)場情況先開挖1～8步，得到環(huán)形導(dǎo)洞巖體位移場與應(yīng)力場，最大豎向位移為5.570 mm，根據(jù)規(guī)范要求，小拱室頂拱最大允許變形撓度為1/1000L，即8 mm，表明小拱室開挖不會出現(xiàn)頂拱塌落現(xiàn)象。但是，很明顯頂拱邊緣豎向變形較大，局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力區(qū)域在拱肩上，如圖6所示。由于該處巖體原先處于受壓狀態(tài)，一旦處于受拉狀態(tài)后，巖體可能會產(chǎn)生局部掉塊的可能，因此，在開挖1～8步的圓形導(dǎo)洞時，盡快進(jìn)行噴錨支護(hù)，才能進(jìn)行后期中導(dǎo)柱開挖。

為了能安全施工采用先支護(hù)再開挖的方案，第9～11步施加系統(tǒng)錨桿與100 t預(yù)應(yīng)力錨索，計(jì)算成果如圖7所示，剛打入錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索后沒有加預(yù)應(yīng)力時，沒有擾動圍巖應(yīng)力場與位移場，圍巖的整體位移與應(yīng)力場均沒有改變，同時，錨桿與錨索上的應(yīng)力為0 Pa，表明在沒有施加預(yù)應(yīng)力之前錨桿與預(yù)應(yīng)力錨索本不應(yīng)該存在應(yīng)力，這樣才符合現(xiàn)場錨索穿入巖體后再預(yù)緊的實(shí)際情況，保證后續(xù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。為了后續(xù)能夠安全施工，通過預(yù)緊預(yù)應(yīng)力錨索，提高穹頂整體剛度，限制豎向變形，采用對角線方式同時預(yù)緊錨索，開始預(yù)加95 t，頂部的豎向變形從-5.570 mm減小至-5.080 mm?？梢姵跗陬A(yù)加95 t的錨索在收縮后，將穹頂上提了0.490 mm。

圖6 1～8步調(diào)壓井頂拱開挖位移與應(yīng)力云圖（單位：位移m，應(yīng)力Pa）

圖7 第9～11步調(diào)壓井頂拱支護(hù)后的位移云圖（單位：位移m，應(yīng)力Pa）

第一次預(yù)緊完后，圍巖應(yīng)力場調(diào)整一段時間后，再開始第二次預(yù)加至115 t，頂部豎向位移從-5.080 mm減小至-4.979 mm。頂部預(yù)留足夠安全賦予之后，方可開挖中導(dǎo)柱，去除之后穹頂失去支撐，此時，穹頂豎向位移由-4.979 mm增至-7.655 mm，增加量為34.9%，由于穹頂在預(yù)應(yīng)力錨索與砂漿錨桿的共同作用，穹頂變形增量不大。

為了能夠明確后期豎向開挖對穹頂受力以及對錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索的影響，調(diào)壓井內(nèi)部高110.56 m，考慮豎向開挖井筒對穹頂會造成不同程度的影響，根據(jù)圣維南定理，井筒深度對穹頂?shù)挠绊懹邢?，所以只考慮30 m的豎向開挖，邊開挖邊支護(hù)直到1816.00 m高程為止，此時砂漿錨桿軸力增大37.5%，預(yù)應(yīng)力錨索張拉應(yīng)力有所增大，但還在安全范圍之內(nèi)。13～16步開挖表明：井筒豎向開挖時對上部穹頂存在一定影響，頂部穹頂豎向變形從-7.655 mm增大至-7.915 mm，穹頂砂漿錨桿軸力由5 t增至8 t，導(dǎo)致后續(xù)開挖的安全儲備變小，一次支護(hù)后，穹頂還存在區(qū)域掉塊的可能性，因此，在開挖井筒巖體時，需要對頂部加強(qiáng)支護(hù)。

圖8 不支護(hù)與支護(hù)開挖后穹頂最大變形量（圖中正值表示穹頂豎直向下變形累計(jì)量）

圖8列出不進(jìn)行支護(hù)與一次支護(hù)后穹頂豎向變形，可知進(jìn)行支護(hù)后，對穹頂施工及向下開挖都是有利的，然而，向下開挖依然需要進(jìn)行二次支護(hù)。

3.5 二次支護(hù)措施計(jì)算成果分析通過1～16步計(jì)算成果表明，穹頂需要進(jìn)行二次支護(hù)才能進(jìn)行豎向開挖。本次提出采用1.5 m厚的圈梁支撐穹頂，為后續(xù)豎向開挖提供安全施工場地，以下是圈梁布置形式見下圖9。

圖9 穹頂混凝土圈梁示意圖

通過上述開挖及支護(hù)后施加圈梁、系統(tǒng)錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索，計(jì)算得出穹頂圈梁與襯砌的大主應(yīng)力云圖，如圖10所示。

圖10 襯砌拉應(yīng)力云圖（單位：Pa）

由于施工方提出該方案襯砌有一部分深入開挖平臺，形成了一個卡口，該處在受到頂部向下的變形及圈梁自重后，會出現(xiàn)剪切應(yīng)力集中，該處需要進(jìn)行加強(qiáng)配筋。襯砌與圈梁交接處受到頂部圈梁的作用內(nèi)口出現(xiàn)小量的拉應(yīng)力區(qū)域，但是襯砌由于自重作用，豎向位移與圈梁不一致，該交界處沒有水溢出所以不建議作插筋。頂部圈梁在受穹頂圍巖后期變形影響后向下變形，同時，兩側(cè)豎向圈梁受圍巖向內(nèi)的擠壓，出現(xiàn)向內(nèi)的變形，需要進(jìn)行鎖腳。圈梁頂部上緣受拉區(qū)域位于頂拱中間上部需要配筋，上緣中層中間部位最大拉應(yīng)力1.25 MPa，上緣外層中間部位最大拉應(yīng)力1.125 MPa，該處需加強(qiáng)配筋。

4 結(jié)論

按照施工單位提供的開挖方案，采用三維彈塑性有限元，開展了調(diào)壓井穹頂施工數(shù)值仿真分析，得到結(jié)論為：

（1）在無支護(hù)開挖穹頂時，穹頂局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，巖體可能會產(chǎn)生局部掉塊，因此，開挖完環(huán)形導(dǎo)洞后，應(yīng)盡快進(jìn)行噴錨支護(hù)，才能進(jìn)行后期中導(dǎo)柱開挖及下部豎井開挖。

（2）當(dāng)中導(dǎo)柱開挖后，由于穹頂在預(yù)應(yīng)力錨索與砂漿錨桿的共同作用分擔(dān)了一部變形，此時，豎井開挖對穹頂整體變形及應(yīng)力分布也有一定影響。對穹頂進(jìn)行二次支護(hù)后，可以給豎井開挖提供安全的施工平臺，根據(jù)現(xiàn)場施工情況反映混凝土穹頂作為二次支護(hù)效果較好。

（3）對于大跨度地下結(jié)構(gòu)穹頂開挖而言，采用環(huán)形導(dǎo)洞開挖、系統(tǒng)錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索及圈梁穹頂支護(hù)等方式，有效地控制了巖體變形和塑性區(qū)開展，保障了開挖施工及運(yùn)行期安全。目前阿爾塔什樞紐已在蓄水，調(diào)壓井安全運(yùn)行，根據(jù)施工單位反饋穹頂變形量很小且基本穩(wěn)定。