毛擁政

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安700001)

1 工程概況

甘洛縣開建橋水電站位于尼日河干流下游段涼紅～開建橋之間,工程區(qū)南距甘洛縣18 km。本工程由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠房建筑物組成。首部樞紐由進(jìn)水閘、泄洪沖沙閘、右岸連接壩及上、下游輔助建筑物組成。引水建筑物由進(jìn)水閘、暗涵、有壓隧洞、調(diào)壓井和壓力管道組成。主廠房為地面式廠房,尾水與尼日河天然來水相接。電站開發(fā)方式為低閘引水式電站,除發(fā)電外無其他綜合利用要求。電站為徑流式,發(fā)電引水流量98.7 m3/s,額定水頭56 m,電站裝機(jī)容量為3×16MW。

調(diào)壓井為帶上室的阻抗式[1],井筒為39.6 m×7 m×34.02 m(長、寬、高)的方形結(jié)構(gòu)。上室為城門洞形(5 m×7 m)上室面積400 m2,上室底部高程941 m連接管內(nèi)徑4.0 m,見示意圖1。

圖1 調(diào)壓井縱剖面圖與橫剖面圖

由于該調(diào)壓井體形特殊,原設(shè)計(jì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)臨時(shí)支護(hù)采用噴10 cm厚纖維混凝土,邊墻部位采用Φ 25,長度3.0 m～5.0 m的系統(tǒng)錨桿加固,拱頂采用Φ 25,長度4.0 m～6.0 m的系統(tǒng)錨桿進(jìn)行加固,錨桿間距2 m×2 m,待上一層開挖支護(hù)完成后,進(jìn)行下一層的開挖施工。Ⅱ類圍巖距掌子面3.0倍調(diào)壓井開挖跨度開始噴錨支護(hù),Ⅲ類圍巖距掌子面2.5倍調(diào)壓井開挖跨度開始噴錨支護(hù);永久支護(hù)地板、邊墻采用1.2 m厚C25鋼筋混凝土襯砌。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

2 地質(zhì)概況及計(jì)算參數(shù)

調(diào)壓井設(shè)置于廠房內(nèi)側(cè)邊坡巖體內(nèi),其中心位置離廠房平距約70m,高程950m,坡度平均達(dá)47°,為谷坡中下段。斜坡上部自然邊坡為38°,表層約7 m～8 m為崩坡積塊碎石層(Q4col+al),穩(wěn)定性差。調(diào)壓井圍巖主要為輕微卸荷的硬質(zhì)巖,呈中厚層～厚層狀順坡巖體結(jié)構(gòu),巖體完整性好,不利結(jié)構(gòu)面為層間錯(cuò)動(dòng)帶(C1),產(chǎn)生于相對軟弱的凝灰?guī)r夾層中,其與N60節(jié)理組的相互組合,構(gòu)成非穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體,控制井壁巖體穩(wěn)定性。地質(zhì)報(bào)告建議有針對性的采取局部加固,并注意排除巖體內(nèi)部細(xì)小滲流。

調(diào)壓井圍巖945.00 m高程以上為Ⅲ類圍巖,945.00 m高程以下為Ⅱ類圍巖,計(jì)算采用參數(shù)如表1。

表1 開建橋調(diào)壓井建議地質(zhì)參數(shù)

3 計(jì)算工況[2]及優(yōu)化方案

3.1 施工工況

施工期:初始地應(yīng)力+開挖地應(yīng)力釋放荷載+圍巖與支護(hù)相互作用力

其中,開挖地應(yīng)力釋放荷載由開挖的步驟、支護(hù)的時(shí)機(jī)及掌子面推進(jìn)與分析斷面之間的距離來分析計(jì)算。根據(jù)圍巖參數(shù)來確定支護(hù)時(shí)機(jī),Ⅱ類圍巖距掌子面3.0倍調(diào)壓井開挖跨度開始噴錨支護(hù),Ⅲ類圍巖距掌子面2.5倍調(diào)壓井開挖跨度開始噴錨支護(hù)。

3.2 運(yùn)行期工況

計(jì)算荷載:初始地應(yīng)力場+開挖地應(yīng)力釋放荷載+圍巖與襯砌相互作用力+外水壓力

其中,外水壓力通過在隧洞襯砌外側(cè)上施加等效節(jié)點(diǎn)荷載來模擬,分別考慮不同的外水水頭,襯砌和圍巖共同承載或襯砌單獨(dú)承載,以及同時(shí)考慮部分山巖壓力。

3.3 優(yōu)化方案

對于施工期的噴錨支護(hù),本次分析計(jì)算以原設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),通過奧地利引進(jìn)的大型巖土工程數(shù)值仿真分析軟件FINAL和理工大學(xué)巖土所自行研制的大型巖土工程軟件包ROCKS對施工的開挖、支護(hù)過程進(jìn)行模擬分析圍巖的穩(wěn)定性,提出優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。對永久的混凝土襯砌按地板和邊墻分別減薄,對支撐梁減少和斷面減少進(jìn)行對比,分析計(jì)算確定優(yōu)化方案,擬定的優(yōu)化方案見表2。

表2 開建橋電站調(diào)壓井優(yōu)化方案

4 計(jì)算分析模型

基于文獻(xiàn)[3],施工期巖體采用三角形6節(jié)點(diǎn)等參元模擬,將巖體視為彈塑性介質(zhì),采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷圍巖體在開挖過中的塑性屈服狀態(tài);混凝土噴層、襯砌采用曲梁單元模擬,采用彈性本構(gòu)模型;錨桿采用桿單元模擬,按彈性考慮;斷層、混凝土襯砌和噴層之間采用接觸界面單元模擬,按彈塑性本構(gòu)關(guān)系考慮,該單元能考慮裂隙的滑移、張開和閉合。

運(yùn)行期采用六面體20節(jié)點(diǎn)高精度實(shí)體單元模擬圍巖,采用四邊形8節(jié)點(diǎn)高精度殼單元模擬噴層,如圖2。采用接觸單元模擬襯砌和圍巖間的接觸狀況。圍巖的本構(gòu)關(guān)系采用 Druker-Prager準(zhǔn)則。

圖2 六面體20節(jié)點(diǎn)高精度實(shí)體單元

圖3 有限元三維網(wǎng)格圖

以離開挖洞壁的3倍洞徑的區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?建立整體三維有限元網(wǎng)格如圖3所示,開挖單元如圖4所示,調(diào)壓井分層開挖。圖5是模擬的襯砌單元,圖6為施加的外水荷載。共33 570個(gè)單元,46 800個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 開挖單元

圖5 模擬襯砌和支撐梁的單元

圖6 施加的外水荷載

圍巖的本構(gòu)關(guān)系采用Drucker-Prager準(zhǔn)則,初始應(yīng)力場按自重應(yīng)力[4]。錨桿的模擬采用提高錨桿加固區(qū)域強(qiáng)度參數(shù)的等效方法[5],即將錨桿加固區(qū)的單元的強(qiáng)度參數(shù)c提高,以模擬錨桿的加固的作用,通常提高20%～30%,本次三維有限元分析按提高20%進(jìn)行。

5 計(jì)算結(jié)果及分析

5.1 施工期

在原設(shè)計(jì)支護(hù)條件下全洞開挖結(jié)束后,除了在邊墻中部圍巖出現(xiàn)不超過0.02 MPa的拉應(yīng)力外,井壁其余部位圍巖均受壓,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在邊墻底部,其值不超過4.9 MPa。圍巖的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均低于巖體的強(qiáng)度,滿足強(qiáng)度穩(wěn)定性的要求。開挖產(chǎn)生的拱頂處最大沉降位移不超過2.5 mm,邊墻向洞內(nèi)的變形最大不超過1.5 mm。

塑性區(qū)在頂拱和底板處不超過1.5 m,而在邊墻中部偏上的部位為3 m。在整個(gè)洞室施工過程中,塑性區(qū)均在錨桿支護(hù)范圍內(nèi),錨桿支護(hù)有效[6]。

從計(jì)算結(jié)果分析,原設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)是偏于安全的,但考慮到調(diào)壓井?dāng)嗝鏋楦哌厜Τ情T洞形,埋深約50 m～70 m,在大量降雨后雨水會(huì)滲入引起外水水頭的增加,為保證襯砌承受外水時(shí)的穩(wěn)定性,和進(jìn)行襯砌優(yōu)化設(shè)計(jì),保證襯砌和圍巖共同承擔(dān)外水荷載,更好得發(fā)揮較好圍巖的自承作用,建議除去所有短錨桿且在邊墻中下部換用7.0 m長錨桿,并將錨桿的出露端與襯砌內(nèi)的鋼筋焊在一起有助于襯砌將外水向圍巖深部傳遞,襯砌和圍巖聯(lián)合承受外水壓力。

5.2 運(yùn)行期

原設(shè)計(jì)方案下襯砌最大變形0.7 mm～0.8 mm,邊墻襯砌在Y方向(豎直方向)最大拉應(yīng)力為0.36 MPa,Z方向(沿長度方向)最大拉應(yīng)力0.73 MPa。支撐梁截面最大壓應(yīng)力4.5MPa。從計(jì)算結(jié)果來看應(yīng)力指標(biāo)都偏小,進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化應(yīng)該是安全的。從計(jì)算結(jié)果來看,幾個(gè)優(yōu)化方案都能滿足穩(wěn)定性的要求。選取優(yōu)化幅度較大的優(yōu)化方案Ⅳ、Ⅴ方案(見表2)進(jìn)行分析。

當(dāng)襯砌按優(yōu)化方案時(shí)Ⅳ,襯砌最大變形1.03mm,邊墻襯砌在 Y方向(豎直方向)最大拉應(yīng)力為0.94 MPa,Z方向(沿長度方向)最大拉應(yīng)力0.89MPa。支撐梁截面最大壓應(yīng)力為5.75MPa,仍可滿足襯砌在外水作用下的穩(wěn)定性。

當(dāng)襯砌按優(yōu)化方案Ⅴ時(shí),襯砌最大變形1.1 mm,邊墻襯砌在 Y方向(豎直方向)最大拉應(yīng)力為1.09 MPa,Z方向(沿長度方向)最大拉應(yīng)力0.91MPa。支撐梁截面最大壓應(yīng)力為6.5MPa,仍可滿足襯砌在外水作用下的穩(wěn)定性。

考慮到地下洞室的復(fù)雜性,以及所研究的目標(biāo)和對象存在大量的不確定性,本文建議調(diào)壓井襯砌方案采用優(yōu)化方案Ⅳ,其有限元計(jì)算結(jié)果見圖7～圖9。

圖7 總體變形圖

6 結(jié) 論

(1)由于巖石材料的非線性,其受力后的應(yīng)力狀態(tài)具有加載途徑性,因此前面的每次開挖都對后面的開挖產(chǎn)生影響,因此對巖石地下洞室進(jìn)行有限元分析計(jì)算必須考慮施工過程。

(2)對于開建橋電站這種比較特殊結(jié)構(gòu)的調(diào)壓井,通過計(jì)算可以看出,隨著支撐梁數(shù)目的增加,該調(diào)壓井結(jié)構(gòu)的控制應(yīng)力都相應(yīng)減小,采用撐梁的設(shè)計(jì)思路是正確的,可以有效地減小襯砌的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖8 y方向剖面

圖9 z方向剖面

(3)調(diào)壓井開挖施工完成后,選擇適當(dāng)?shù)囊r砌時(shí)機(jī)利用圍巖還有殘余變形,保證圍巖、支護(hù)、襯砌聯(lián)合受力,提高建筑物的安全度是很重要的。

(4)由于地下洞室設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,巖體結(jié)構(gòu)及其賦存條件和環(huán)境的復(fù)雜性、多變性等等不確定的因素,進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工時(shí)一是要注重基礎(chǔ)資料的收集,二是要運(yùn)用全方位多手段的現(xiàn)場監(jiān)測工作,及時(shí)進(jìn)行高效的理論分析和經(jīng)驗(yàn)判斷,逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工工藝。

[1] 潘家錚.水工隧洞和調(diào)壓室[M].北京:水利電力出版社,2005:12-20.

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[3] 朱苦竹,李青麒,朱合華.不良圍巖條件下水電站調(diào)壓井襯砌結(jié)構(gòu)選型研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2007,26(3):44-48.

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