(遼寧西北發(fā)電有限責(zé)任公司清湖電廠，遼寧 開原 112300)

1 工程背景

大風(fēng)口水庫位于遼寧省綏中縣前衛(wèi)鎮(zhèn)境內(nèi)的石河上游，集雨面積251km2，防洪標準為100年一遇，校核洪水標準為5000年一遇，水庫的設(shè)計洪水位為113.66m，校核洪水位為119.48m。大風(fēng)口水庫的主要建筑有大壩、溢洪道、輸水隧洞[1]，最大庫容1.5億m3，該水庫是一座兼具防洪、供水、灌溉、旅游等多種功能的大(2)型水利樞紐工程[2]。

為滿足綏中火電廠的用水需求，需要新建一條輸水隧洞。新建的輸水隧洞位于水庫大壩的右壩端，在水庫原輸水隧洞的右側(cè)。輸水隧洞由進口明渠、豎井、洞身段、明管段以及出口壓力箱組成，全長255m。輸水隧洞施工范圍內(nèi)的巖層為全風(fēng)化、強風(fēng)化以及中風(fēng)化砂質(zhì)板巖，圍巖強度低，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，差異風(fēng)化嚴重，自穩(wěn)性較差。由于巖體強度低，風(fēng)化程度高，圍巖破碎現(xiàn)象比較嚴重，同時，由于對圍巖的強度估計不足，造成前期支護的強度難以滿足圍巖應(yīng)力作用，因而在施工開挖過程中產(chǎn)生大變形，為了保證變形不再加劇，項目部聽取相關(guān)專家的意見，擬采取注漿錨桿以及臨時鋼結(jié)構(gòu)支撐等工程技術(shù)措施。

2 大變形處置時機研究

2.1 數(shù)值模型的構(gòu)建

離散單元法(DEM)的基本假設(shè)是巖體被節(jié)理裂隙切割成大小不等的巖塊，這些巖塊通過鑲嵌的方式排列在一起，并處于平衡狀態(tài)，當計算塊體受到外部荷載的作用時，不僅自身會產(chǎn)生位移和應(yīng)力變化，各個塊體之間的位置和作用力也會隨之改變[3]。該方法主要是基于上述變化對巖體沿著節(jié)理或斷層發(fā)生的滑移或旋轉(zhuǎn)進行模擬，進而分析巖體工程破壞過程。3DEC是基于離散單元法進行非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模擬計算的巖土工程軟件，主要適用于節(jié)理巖體和砌體結(jié)構(gòu)等存在不連續(xù)面的變形與破壞機理研究，在處理這類巖體在外部荷載作用下的靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)方面具有顯著優(yōu)勢[4]。

本次研究中利用有限差分軟件FLAC3D建立輸水隧洞的全局模型，以便對地表的地形地貌進行較好模擬[5]。在產(chǎn)生大變形的部位則利用3DEC構(gòu)建局部模型，以便對局部大變形部位的節(jié)理變形特征進行深入研究，并以研究結(jié)果為指導(dǎo)，確定最合適的工程技術(shù)處置措施以及最佳的更換時機。結(jié)合相關(guān)工程的研究經(jīng)驗，輸水隧洞的全局尺寸為740m×560m。由于該段工程為南北走向，將正西方向設(shè)置為模型的X軸正方向，將正南方向設(shè)置為Y軸的正方向，以豎直向上的方向為Z軸的正方向?；趪鷰r變形的實際特征，除模型上界為實際地表以外，其余各個方向均設(shè)定為固定邊界條件[6]。為了準確地研究局部大變形部位的應(yīng)力和位移等變形特征，以便獲得最佳的處置時機，按照大變形的具體部位，利用3DEC軟件對0+250～0+290段構(gòu)建局部模型，邊界條件與整體模型一致。

2.2 數(shù)值模擬過程

研究過程中，為了獲取大變形的實際參數(shù)，首先按照原始工程方案中的支護參數(shù)進行數(shù)值模擬計算，結(jié)果顯示在2000步計算之后，輸水隧洞圍巖發(fā)生大變形，特別是拱頂圍巖的沉降變形最為劇烈，達到了85mm。如不采取有效措施，變形必將快速發(fā)展，最終導(dǎo)致輸水隧洞施工段塌方，因此，在模擬計算中將支護參數(shù)進行了調(diào)整，在施加臨時支撐鋼架結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)后，繼續(xù)進行模擬計算，直至模型趨于平衡，也就是圍巖不再產(chǎn)生位移變形為止。此時，輸水隧洞的拱頂沉降總量為271mm。因此，本文研究中將該值作為輸水隧洞最大變形值。在常規(guī)施工方式下，一般是拱頂?shù)某两盗窟_到最大時進行處置，對該工程而言，則是達到271mm時進行大變形初支更換[7]?；诒敬窝芯康闹饕康模M計算中將處置時機進行適當提前，以進行對比分析，獲得最佳支護時機。因此，設(shè)定當輸水隧洞拱頂沉降量分別達到最終位移量的100%、95%、90%、85%、80%、75%和70%時進行初支更換，共得到工況1～工況7共7種不同的計算工況。具體模擬計算的過程是：對每一種計算工況，當輸水隧洞拱頂?shù)某两盗窟_到預(yù)設(shè)值時，即刪除長度為65.0m的支護塊體單元，并在沒有任何支護的條件下進行500步計算，使模型計算本身盡量契合拱架拆除后的無支護狀態(tài)。然后將模型參數(shù)更換為強化支護后的參數(shù)并繼續(xù)進行計算，直至圍巖不再發(fā)生變形。

2.3 計算結(jié)果分析

利用構(gòu)建的模型，對大變形在不同變形時機處治后，重新達到穩(wěn)定后塌方斷面的主應(yīng)力進行計算，由計算結(jié)果可知，在工況7條件下，輸水隧洞圍巖部位會產(chǎn)生范圍較大的應(yīng)力集中區(qū)域，特別是左側(cè)拱腰和拱腳部位的應(yīng)力集中情況最為明顯，應(yīng)力值在4.60MPa以上；工況6和工況5相對于工況7，圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象有所改善，應(yīng)力集中區(qū)域有所減小，但是最大應(yīng)力值有所增加，達到5.22MPa；工況4和工況3相對于工況5，無論是最大應(yīng)力值還是應(yīng)力集中區(qū)域的范圍都有所減小，在工況3條件下，圍巖的最大應(yīng)力值減小到4.99MPa；在工況1條件下，應(yīng)力的集中區(qū)域又進一步減小，但是最大應(yīng)力值相對于工況3呈現(xiàn)出小幅上升。由此可見，結(jié)合應(yīng)力集中區(qū)域和最終應(yīng)力值兩項指標，工況3為最佳處置工況，也就是當圍巖拱頂沉降量為最終變形量的90%時進行處置最佳。

圖1 處置時的位移占最終位移的百分比

由于3DEC模型屬于離散單元模型，且每個節(jié)理的面積均有所不同，這就造成僅對節(jié)理破壞的數(shù)量進行統(tǒng)計的結(jié)果缺乏說服力[8]，因此，本次研究中基于模型模擬計算的結(jié)果，對發(fā)生破壞性變形的節(jié)理面積進行統(tǒng)計，結(jié)果見圖1。由圖1中的結(jié)果可知，在工況3條件下，也就是輸水隧洞圍巖拱頂?shù)某两底冃螢樽罱K位移值的90%時實施初支更換，失穩(wěn)節(jié)理的面積最小。綜合上述，推薦變形達到最終位移值的90%時進行大變形初支更換，以達到最佳支護效果。

3 工程應(yīng)用及效果分析

3.1 工程應(yīng)用

為了驗證上述結(jié)論在實際工程中的應(yīng)用效果和價值，將其用于遼寧省大風(fēng)口水庫新建輸水隧洞工程。該工程由于出口段不良地質(zhì)因素的影響，在后續(xù)施工中仍舊出現(xiàn)多段圍巖大變形現(xiàn)象。為了檢測圍巖變形數(shù)據(jù)，在工程施工過程中每隔10m均設(shè)置有圍巖變形參數(shù)的監(jiān)測斷面，以便對圍巖初期支護后的周邊收斂變形以及拱頂?shù)某两底冃芜M行實時監(jiān)測。各斷面具體布置見圖2。

圖2 監(jiān)測斷面測點布置

在施工過程中，樁號0+563～0+571和0+621～0+630段均出現(xiàn)了圍巖大變形，兩段的長度相當，分別為8m和9m，且輸水隧洞的埋深、地表分布以及應(yīng)力環(huán)境相似。因此，對前一段按照傳統(tǒng)方法處置，也就是拱頂?shù)某两盗窟_到最大時進行處置，對后一段則按照本文的結(jié)論，當拱頂變形達到預(yù)期最終位移的90%即更換初支。

3.2 圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

上述兩個輸水隧洞圍巖大變形段開挖后以及初支更換過程中，整理了相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)(結(jié)果見圖3和圖4，圖中Ut為圍巖穩(wěn)定情況下的拱頂最終沉降量，拉應(yīng)力為負值，壓應(yīng)力為正值)。由圖3可知，在對輸水隧洞圍巖大變形段采取臨時鋼支撐措施后，圍巖拱頂?shù)某两底冃嗡俣让黠@降低，沉降值從最終沉降量的90%達到100%歷時18天。從最終的變形來看，在達到圍巖拱頂最終沉降量的90%時進行處治與傳統(tǒng)處置方法的沉降量基本相同，但是輸水隧洞圍巖的周邊收斂值有一定減小，說明采取本文的處置方案，不僅不會對輸水隧洞圍巖的穩(wěn)定性造成負面影響，還可以在一定程度上減輕圍巖變形。而從處治完成時間上看，采用本文結(jié)論的處置時機，也就是在拱頂沉降量達到最終沉降量的90%時進行處置，僅需要37天時間即可實現(xiàn)圍巖變形的完全釋放，比傳統(tǒng)方法提前23天，這對于縮短施工工期具有重要價值。

圖3 隧洞拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果

圖4 隧洞周邊收斂監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié) 論

本文以遼寧省安大風(fēng)口水庫新建輸水隧洞為對象，進行了大變形處置時機方面的研究，利用FLAC3D和 3DEC相結(jié)合的方法，構(gòu)建起輸水隧洞的全局和大變形部位局部模型，利用數(shù)值模擬研究的方法對處治時機進行了優(yōu)化。認為拱頂沉降量達到最終沉降量的90%時為最佳處置時機

通過大風(fēng)口水庫新建輸水隧洞的現(xiàn)場驗證，采用理論研究獲得的最佳處置時機，不僅不會對輸水隧洞圍巖的穩(wěn)定性造成負面影響，還可以在一定程度上減輕圍巖變形，大幅縮短工期，有利于安全快速地完成隧道大變形處治。