穿越破碎帶輸水隧洞超前注漿加固縱向搭接長(zhǎng)度研究

王彪東

（建昌縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧葫蘆島125300）

1 工程背景

遼寧清原抽水蓄能電站是蒲石河抽水蓄能電站之后，東北地區(qū)在建的最大抽水蓄能電站，該電站的選址十分優(yōu)越，臨近遼寧省的負(fù)荷中心，建成之后可以承擔(dān)東北電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷和事故備用任務(wù)[1]。清原抽水蓄能電站主要由上水庫、下水庫及地下廠房系統(tǒng)構(gòu)成，為Ⅰ等大（1）型工程，永久性主要建筑物級(jí)別為1級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇[2]。其中，引水系統(tǒng)由上水庫進(jìn)水口、引水隧洞及壓力鋼管組成[3]。

由于電站引水系統(tǒng)的輸水隧洞埋藏較淺，開挖部位呈破碎地質(zhì)發(fā)育，在部分施工段需要穿越比較深厚的土層，開挖施工難度較大，經(jīng)項(xiàng)目部和相關(guān)專家會(huì)商，決定采用三臺(tái)階施工法進(jìn)行開挖施工。在施工中充分利用光面爆破、噴錨支護(hù)等施工工藝技術(shù)，分步開挖、分步支護(hù)，使仰拱快速封閉成環(huán)，從而構(gòu)建起比較穩(wěn)固的支護(hù)體系[3]。由于斷層破碎帶的巖體強(qiáng)度較低，圍巖的自穩(wěn)能力很差，容易造成開挖施工過程中的涌水和突泥事故。因此，擬采用超前注漿加固的方式改善圍巖的性質(zhì)，同時(shí)起到一定的堵水作用[4]。為防止掌子面擠出變形過大導(dǎo)致的流塌，加固范圍應(yīng)該包括一定厚度的圍巖和掌子面。結(jié)合工程實(shí)際，在施工中一個(gè)超前注漿加固循環(huán)的長(zhǎng)度為10m。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

在巖土工程研究領(lǐng)域，對(duì)數(shù)值模擬軟件有著特定的要求，要求對(duì)巖層和土層的模擬結(jié)果必須能接近工程實(shí)際，還需要考慮孔隙水壓力及地下水等狀況。ABAQUS作為一款大型通用有限元軟件，在上述方面具有良好的適應(yīng)性，在模擬固結(jié)沉降、流固耦合及非飽和滲流方面具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，因此，研究中選擇ABAQUS軟件進(jìn)行背景工程的模擬計(jì)算[5]。

根據(jù)相關(guān)研究成果，結(jié)合計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算量的實(shí)際需求，研究中將模型的范圍設(shè)置為開挖洞徑的10倍，計(jì)算的范圍為50m×50m×30m。由于引水隧洞開挖之后，其應(yīng)力的釋放影響范圍會(huì)在開挖邊界逐漸向四周輻射，距離開挖界面的距離越遠(yuǎn)，其影響的程度和范圍也就越小[6]。因此，在模型的網(wǎng)格單元?jiǎng)澐诌^程中，并沒有必要采用大小一致的網(wǎng)格尺寸。在網(wǎng)格剖分的過程中，利用ABAQUS有限元軟件中自帶網(wǎng)格的劃分方法。由于模型的工況相對(duì)比較復(fù)雜，僅采用一種網(wǎng)格單元是不能準(zhǔn)確模擬工程實(shí)際的。因此，研究中采用C3D8R單元進(jìn)行引水隧洞的圍巖網(wǎng)格劃分，開挖部分和襯砌結(jié)構(gòu)采用C3D4單元模擬，鋼拱架和錨桿采用B21梁?jiǎn)卧M[7]。整個(gè)模型劃分為12344個(gè)網(wǎng)格單元，11647個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

2.2 邊界條件與模型參數(shù)

ABAQUS軟件采用拉格朗日計(jì)算分析法將圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)離散成不同類型的單元，然后再針對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行受力分析[8]。巖土體的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系一般較為復(fù)雜，通常具有非線性、彈塑性及各向異性的特點(diǎn)，因此，軟件提供了多種本構(gòu)模型。結(jié)合研究的需要和對(duì)象的特點(diǎn)，計(jì)算模型采用彈塑性本構(gòu)模型，對(duì)構(gòu)建的模型底部施加全位移約束，模型的側(cè)面為水平位移約束，模型的頂部設(shè)置為自由邊界條件。

模型材料的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果存在關(guān)鍵性的影響，研究中根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，確定采用表1所示的模型材料參數(shù)。在數(shù)值模擬的過程中，不對(duì)注漿加固過程進(jìn)行過多的研究，而將注漿加固圈以掌子面范圍內(nèi)圍巖物理力學(xué)參數(shù)的提高作為超前注漿的加固效果，并對(duì)各個(gè)注漿加固方案進(jìn)行模擬計(jì)算。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算方案

為了研究超前注漿縱向搭接長(zhǎng)度對(duì)注漿效果的實(shí)際影響，研究中結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)置了1，2，3，4，5m等5種不同的縱向搭接長(zhǎng)度方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，超前注漿的厚度設(shè)計(jì)為固定值，各種計(jì)算方案下均取1m，通過對(duì)不同搭接長(zhǎng)度方案下的圍巖沉降變形、掌子面擠出變形與塑性區(qū)特征進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，確定最佳的縱向搭接長(zhǎng)度。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 塑性區(qū)

研究中，利用有限元計(jì)算模型對(duì)不同搭接長(zhǎng)度計(jì)算方案下的圍巖塑性區(qū)分布特征進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中提取如表2所示的不同計(jì)算方案下的塑性區(qū)面積和最大延伸長(zhǎng)度。由表2中的計(jì)算結(jié)果可知，超前注漿縱向搭接長(zhǎng)度對(duì)圍巖塑性區(qū)的范圍存在十分顯著的影響，搭接的長(zhǎng)度越小，塑性區(qū)的范圍越大，特別是當(dāng)搭接長(zhǎng)度由2m減小到1m時(shí)，圍巖塑性區(qū)的范圍急速擴(kuò)大。根據(jù)背景工程的地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，此時(shí)的開挖塑性區(qū)會(huì)與圍巖內(nèi)部破碎帶塑性區(qū)大面積貫通，引發(fā)引水隧洞圍巖的滑塌。由此可見，在背景工程的超前注漿加固過程中，縱向最小搭接長(zhǎng)度應(yīng)該為2m。

表2 圍巖塑性區(qū)面積計(jì)算結(jié)果

3.2 拱頂沉降變形

利用構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對(duì)縱向搭接長(zhǎng)度為5，4，3，2m等4種工況下的拱頂沉降變形進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出如圖1所示的拱頂最大沉降量和搭接長(zhǎng)度之間的變化曲線。由圖1可知，拱頂?shù)某两底冃坞S著縱向搭接長(zhǎng)度的增加而減小，且呈現(xiàn)出接近線性的變化特點(diǎn)。由于引水隧洞上方的圍巖已經(jīng)施作了超前注漿進(jìn)行加固，因此，各種計(jì)算方案下的拱頂沉降并沒有明顯的突變性變化。從具體的計(jì)算結(jié)果來看，當(dāng)縱向搭接長(zhǎng)度為2m時(shí)，拱頂?shù)某两底冃瘟孔畲?，達(dá)到42.81mm；當(dāng)縱向搭接長(zhǎng)度為5m時(shí)，拱頂?shù)某两底冃瘟孔钚?，?1.88mm，兩者比較接近，差值不足1.00mm。由此可見，超前注漿加固的縱向搭接長(zhǎng)度對(duì)引水隧洞拱頂沉降變形的影響極為有限，在工程設(shè)計(jì)中不需進(jìn)行重點(diǎn)考慮。

圖1 拱頂沉降量變化曲線

3.3 掌子面擠出變形

利用構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對(duì)縱向搭接長(zhǎng)度為5，4，3，2m等4種工況下的掌子面擠出變形進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出如圖2所示的掌子面擠出變形量隨搭接長(zhǎng)度的變化曲線。由圖2可知，隨著縱向搭接長(zhǎng)度的不斷減小，掌子面的擠出變形呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點(diǎn)，究其原因，縱向搭接長(zhǎng)度越小，施工掌子面距離沒有進(jìn)行超前加固的圍巖斷層破碎帶越近，受到破碎帶的影響也就越大，并造成掌子面擠出變形量的增大。從具體變化的特征來看，當(dāng)縱向搭接長(zhǎng)度大于3m時(shí)，掌子面擠出變形量的變化幅度較小，當(dāng)縱向搭接長(zhǎng)度由3m減小到2m時(shí)，掌子面擠出變形急速增大，呈現(xiàn)出明顯的突變特征。由此可見，從掌子面擠出變形量來看，縱向搭接長(zhǎng)度應(yīng)該以3m為宜。

圖2 掌子面擠出變形變化曲線

4 結(jié)語

在水利工程建設(shè)中，科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以降低施工成本，提高工程質(zhì)量。此次研究以清原抽水蓄能電站為工程背景，利用數(shù)值模擬的方法研究了縱向搭接長(zhǎng)度對(duì)超前注漿加固效果的影響：縱向搭接的長(zhǎng)度越小，塑性區(qū)的范圍越大，當(dāng)縱向搭接長(zhǎng)度為1m時(shí)，會(huì)引發(fā)引水隧洞圍巖的滑塌，因此縱向最小搭接長(zhǎng)度應(yīng)該為2m；超前注漿加固的縱向搭接長(zhǎng)度對(duì)引水隧洞拱頂沉降變形的影響極為有限，在工程設(shè)計(jì)中不需重點(diǎn)關(guān)注；掌子面的擠出變形隨著縱向搭接長(zhǎng)度減小而增加，且小于3m時(shí)會(huì)有明顯的突變；綜合研究成果和工程經(jīng)濟(jì)性，建議采用3m的超前注漿加固縱向搭接長(zhǎng)度。