韓 松，劉 佳，郭建業(yè)，謝振峰

（1. 豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林市 132108；2.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

某水電樞紐工程引水隧洞塌方處理有限元法計(jì)算分析

韓 松1，劉 佳1，郭建業(yè)2，謝振峰2

（1. 豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林市 132108；2.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

該工程引水隧洞為有壓洞，具有洞徑大、內(nèi)水水頭高及塌方范圍大等特點(diǎn)，因此，其處理方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算是個(gè)關(guān)鍵問題。 本文通過對(duì)塌方段處理方案的全面計(jì)算分析，最終確定了堆渣體灌漿處理厚度和襯砌的結(jié)構(gòu)配筋，該方案已在工程中成功實(shí)施，為確保電站效益的持續(xù)發(fā)揮起到了極其重要的作用。

引水隧洞；塌方處理；有限元法計(jì)算

1 工程概況

樞紐主要建筑物由擋水壩、岸坡式溢洪道、引水隧洞、發(fā)電廠房及開關(guān)站等組成，為二等大（2）型工程，地震基本烈度為Ⅵ度。引水隧洞全長約 7 km，建筑物級(jí)別為 3 級(jí)。

2 隧洞塌方段情況簡介

該隧洞在施工過程中產(chǎn)生局部塌方，塌方段長度 13.5m，塌方空腔最大高度約 40m，隧洞中心線垂直向上最大高度約 31.5m，塌方最大寬度約 25m，塌方堆渣體上部凈空最高約 12m。從縱剖面上看，塌腔中心線偏向洞軸線右側(cè)，兩者夾角約 16°，從最大塌方橫剖面上看，塌方偏向洞中心線右側(cè)（面向上游），基本位于左頂拱至右腰線之間 90°的范圍內(nèi)。根據(jù)實(shí)測的塌方空腔形狀和塌方空腔估算，塌方量4300m3左右。

3 塌方段工程地質(zhì)條件

圍巖為二疊系下統(tǒng)吳家坪組（P2w）下部和二疊系上統(tǒng)茅口組（P1m）的上部地層。

吳家坪組（P2w）巖性含燧石結(jié)核灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r，深灰色，細(xì)～微晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造； 底部發(fā)育有透鏡狀厚度 0～3.0m，由破碎黑色泥灰?guī)r、頁巖夾中薄層碳質(zhì)頁巖構(gòu)成的軟巖夾層，屬軟質(zhì)巖，其中炭質(zhì)頁巖巖塊投入水中僅幾分鐘就崩解為細(xì)顆粒狀和粉土的混合物，圍巖類別為Ⅳ類，自穩(wěn)能力差。

茅口組（P1m）含瀝青質(zhì)燧石結(jié)核灰?guī)r偶夾炭質(zhì)頁巖和泥灰?guī)r：深灰色，細(xì)～微晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造。中厚層狀含燧石結(jié)核灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r、含瀝青質(zhì)燧石結(jié)核灰?guī)r均為硬質(zhì)巖，巖石呈微風(fēng)化狀態(tài)，圍巖自穩(wěn)能力強(qiáng)；洞壁干燥為主，局部潮濕，圍巖類別為Ⅱ類。

隧洞塌方段附近在兩側(cè)邊墻各見有節(jié)理，走向?yàn)?N50°～60°E，傾向 NW 和 SE，傾角 85°左右，斷續(xù)長度約 50.0m，寬度 0～2mm，方解石充填，節(jié)理面起伏光滑，節(jié)理間距 5～22m，節(jié)理切割層理，腰線以上存在不利圍巖穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面組合。

吳 家 坪組（P2w）底 部 發(fā)育的 透 鏡 狀厚 度 0 ～3.0 m（由破碎黑色泥灰?guī)r、頁巖夾中薄層碳質(zhì)頁巖構(gòu)成的軟巖夾層），自身為工程地質(zhì)缺陷，炭質(zhì)頁巖巖層受洞內(nèi)水的浸蝕不斷的軟化變形，崩解的細(xì)顆粒狀和粉土的混合物沿破裂的噴射混凝裂縫溢出形成小塌腔，小塌腔與不利圍巖穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面組合聯(lián)合作用不斷擴(kuò)大塌腔釀成較大規(guī)模塌方。

4 塌方處理設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 處理方案擬定

由于塌方段圍巖破碎，塌腔上部情況無法探明，若盲目處理會(huì)導(dǎo)致圍巖繼續(xù)失穩(wěn)，造成二次塌方，根據(jù)以往類似處理經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合塌方體實(shí)際情況，決定對(duì)該塌方段采取管棚、超前小導(dǎo)管注漿配合工字鋼架支撐，對(duì)塌方地段灌注水泥液漿的處理方法通過，管棚以上堆渣不再進(jìn)行清理。

根據(jù)塌方段的施工方案，結(jié)合引水隧洞實(shí)際受力情況，擬定了鋼筋混凝土襯砌方案進(jìn)行處理。

根據(jù)實(shí)測的塌方空腔形狀，空腔上大下小，體積約 4300m3，空腔若全部采用混凝土回填處理的話，回填量大、投資高、施工困難，因此設(shè)計(jì)對(duì)該方案進(jìn)行了大量計(jì)算和設(shè)計(jì)優(yōu)化。由于堆渣體厚度較大，對(duì)頂拱以上一定厚度范圍內(nèi)的堆渣體進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，使其灌后達(dá)到一定的強(qiáng)度，根據(jù)洞子實(shí)際受力，采用有限元法對(duì)灌漿處理厚度進(jìn)行敏感性分析，最終在滿足設(shè)計(jì)安全可靠要求的前提下優(yōu)選出該參數(shù)。同時(shí)根據(jù)固結(jié)灌漿后的堆渣體所能達(dá)到的彈性模量計(jì)算襯砌所需要的合理配筋。

4.2 有限元法結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)正常蓄水位與下游調(diào)壓井最高涌浪高程，以及引水洞總長計(jì)算出隧洞塌方段中心線處內(nèi)水壓力為 100.1m。根據(jù)地質(zhì)縱剖面圖地下水位線顯示，外水壓力約 120m。

隧洞襯砌后設(shè)計(jì)洞徑 6.0m，施工臨時(shí)管棚在洞中心線4m以外布設(shè)，鋼筋混凝土襯砌厚度采用 1.0m。

由于此處理方式下塌方段隧洞已非埋藏洞或明洞，結(jié)構(gòu)屬于非桿件體系，因此采用了平面有限元法選擇最不利塌方斷面進(jìn)行分析計(jì)算。按照正常運(yùn)行及檢修兩種工況，根據(jù)隧洞最小內(nèi)徑、襯砌厚度、實(shí)際受力等按照有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)及配筋驗(yàn)算?；炷痢r石、灌漿后堆渣體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各材料物理力學(xué)參數(shù)

經(jīng)計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)安全由正常運(yùn)行工況控制，以此工況下灌漿堆渣體頂部水平向應(yīng)力具有不小于 0.1MPa 的壓應(yīng)力為控制條件，對(duì)堆渣體固結(jié)灌漿處理厚度進(jìn)行敏感性分析，計(jì)算結(jié)果表明，最小處理厚度介于 16~18m 之間，按大值 18m 計(jì)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，由于灌漿堆渣體和巖石模量相差較大，襯砌受力非常不均勻，其最大拉應(yīng)力位于巖石和灌漿體交界處（軟硬介質(zhì)交界部位），最大拉應(yīng)力約 2.7MPa，超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值且均勻貫穿襯砌整個(gè)厚度。

提取襯砌典型部位應(yīng)力進(jìn)行積分合成內(nèi)力，根據(jù) SL191-2008《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》非桿件體系配筋計(jì)算原則，按照承載能力極限狀態(tài)以及正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行配筋量計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，襯砌最終配筋由正常使用極限狀態(tài)控制（裂縫控制驗(yàn)算）。

正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)裂縫控制驗(yàn)算，可通過限制鋼筋應(yīng)力間接控制裂縫寬度。標(biāo)準(zhǔn)組合下的受拉鋼筋應(yīng)力 σsk符合規(guī)定 ：σsk≤αsfyk。其中：σsk為在標(biāo)準(zhǔn)組合下受拉鋼筋應(yīng)力；fyk為鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；αs為考慮環(huán)境影響的鋼筋應(yīng)力限制系數(shù)。

配筋量計(jì)算公式為：

式中：Tk——為標(biāo)準(zhǔn)組合下有鋼筋承擔(dān)的拉力；As——需要的鋼筋截面面積。

計(jì)算結(jié)果：頂拱 12857mm2，右邊拱 6848mm2，底拱 5528mm2，左邊拱 6867mm2。每米長度配筋 20 根 φ30，由于襯砌厚度內(nèi)全斷面受拉，為軸心受拉構(gòu)件，配筋襯砌內(nèi)外圈均分，均為 10 根，間距10cm，鋼筋凈距 7cm。

4.3 質(zhì)量檢查要求

待鋼筋混凝土襯砌施工完畢之后必須對(duì)堆渣進(jìn)行固結(jié)灌漿，綜合考慮固結(jié)后堆渣單位彈抗與襯砌配筋關(guān)系、堆渣固結(jié)灌漿的施工難度、固結(jié)灌漿效果以及灌漿效果檢測等因素，確定堆渣固結(jié)灌漿的最終效果采用固結(jié)后堆渣的單位彈抗 K0來衡量，并且要求 K0不小于 0.8GPa/m。但考慮到后期彈抗的檢測方法非常繁瑣且比較昂貴，根據(jù)圍巖類別與彈抗和波速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，后期可以通過物探聲波檢測、鉆孔壓水試驗(yàn)來間接評(píng)價(jià)灌漿效果，要求固結(jié)后堆渣的檢測波速 v 不小于 3000 m/s，同時(shí)要求其壓水試驗(yàn)透水率不大于 0.05L/ (min·m·m）。

為了保證固結(jié)灌漿效果，建議事先進(jìn)行現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)，推薦合理的灌漿程序、灌漿方法、灌漿工藝、合宜的灌漿材料、漿液配比及灌漿參數(shù)。

5 結(jié)語

該工程隧洞受力條件及處理方案，對(duì)其進(jìn)行了有限元法結(jié)構(gòu)計(jì)算，最終確定了堆渣體灌漿處理厚度和襯砌的結(jié)構(gòu)配筋。該工程現(xiàn)已發(fā)電一年有余，經(jīng)隧洞放空檢查，塌方處理段無任何異?，F(xiàn)象。說明設(shè)計(jì)方案和計(jì)算方法合理，同時(shí)積累了隧洞塌方處理及設(shè)計(jì)計(jì)算的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，并為類似工程的處理提供了借鑒。

［1］張全喜，崔桂華.吉林省老龍口水利樞紐工程引水洞施工中塌 方 處 理方案 探 析［J］. 吉 林水利 ，2007，10（305）：59-62.

［2］李志斌.小灣水電站下游圍堰可控性灌漿施工技術(shù)［J］.四川水力發(fā)電，2011，10（1）：80-82.

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