江 華

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程背景

某水電站是一座以發(fā)電為主，兼有防洪和灌溉等功能的綜合性小型水利工程，也是遼寧省十三五重點(diǎn)水利工程項(xiàng)目之一，電站壩址以上集雨面積293km2，按照百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，千年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，設(shè)計(jì)水位293.5m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容0.87億m3。水電站的主要建筑物包括混凝土重力壩、副壩、溢洪道、泄洪洞以及引水發(fā)電系統(tǒng)。受地形和地質(zhì)等方面因素的制約，電站的泄洪洞和發(fā)電引水隧洞均設(shè)計(jì)于大壩的左側(cè)，且需要兩隧洞之間的間距盡量小，以便在線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí)能夠盡量避開(kāi)左側(cè)山體中的SK03斷層。但是，該并行段基本處于弱風(fēng)化的安山玢巖地層結(jié)構(gòu)中，局部分布有輝綠巖和強(qiáng)風(fēng)化流紋巖，洞身段的圍巖類(lèi)別以Ⅲ類(lèi)為主，末端圍巖類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)，強(qiáng)度較低、穩(wěn)定性差，兩者在施工過(guò)程中的影響不容忽視[1]。在以往的研究中，主要是考慮新建隧洞對(duì)原有隧洞的影響，而并行施工過(guò)程中面臨的力學(xué)問(wèn)題無(wú)疑更為復(fù)雜[2]?；诖?，本次研究通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)泄洪洞和輸水隧洞施工過(guò)程中的相互影響和應(yīng)力位移特征進(jìn)行研究，以確定泄洪洞和引水洞的最小間距，為工程的設(shè)計(jì)和順利施工提供參考。

2 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 軟件選擇

midas GTS NX 2019是一款針對(duì)巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元分析軟件，作為一個(gè)全面有限元分析軟件包，可處理各種巖土工程設(shè)計(jì)應(yīng)用，支持靜力分析、動(dòng)力分析、滲流分析、應(yīng)力-滲流耦合分析、固結(jié)分析、施工階段分析、邊坡穩(wěn)定分析等多種分析類(lèi)型，適用于各種實(shí)際工程的準(zhǔn)確建模與分析，并提供了多種專(zhuān)業(yè)化建模助手和數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。同時(shí)，該軟件作為新一代巖土分析軟件，應(yīng)用了最尖端的圖形和分析技術(shù)，可以支持最新的OS圖形用戶(hù)界面。直觀的界面將使新用戶(hù)能夠輕松地將軟件集成到他們的工作流程中[4]。此外，該軟件還集成了混合網(wǎng)格生成功能，該功能可創(chuàng)建使用六面體和四面體元素的最佳組合的網(wǎng)格集，在建模復(fù)雜幾何形狀的較尖銳的曲線(xiàn)和拐角時(shí)更有效[5]。鑒于該軟件的優(yōu)勢(shì)和本次研究的實(shí)際需求，利用midas GTS NX 2019進(jìn)行研究對(duì)象的有限元模型構(gòu)建。

2.2 模型的構(gòu)建

為了保證模擬結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，結(jié)合相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，確定模型的計(jì)算范圍為隧洞的上下各40m，左右各50m，模型的長(zhǎng)、寬、厚分別為124m、85m和30mm[6]。其余圍巖部分利用相應(yīng)的壓力荷載施加于模型上部邊界，兩隧洞之間的間距設(shè)定為15m。對(duì)隧洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊的圍巖部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理?？紤]圍巖的塑性變形，圍巖巖體采用Druncker-Prager 模型本構(gòu)的實(shí)體單元[7]；隧洞的初支結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)單元，錨桿則采用彈性本構(gòu)植入式桁架單元。整個(gè)模型劃分為96681和計(jì)算單元，102420個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，圍巖的網(wǎng)格單元?jiǎng)澐质疽鈭D如圖1所示。

圖1 圍巖有限元模型示意圖

2.3 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合相關(guān)研究成果和工程實(shí)際情況，在數(shù)值模擬分析中進(jìn)行如下假定：研究洞段的圍巖為各向同性材料，模型采用Druncker-Prager準(zhǔn)則進(jìn)行圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算研究，在計(jì)算過(guò)程中不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮自重應(yīng)力[8]。模擬計(jì)算中采用的材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.4 計(jì)算工況

本次研究的主要目的是針對(duì)不同隧洞凈距條件下的圍巖應(yīng)力位移影響模擬計(jì)算，獲得最佳泄洪洞和輸水洞凈距。顯然，影響隧道凈距的因素較多，圍巖條件、埋深條件以及開(kāi)挖和支護(hù)方法均會(huì)產(chǎn)生比較顯著的影響。基于此，本次研究以背景工程地質(zhì)環(huán)境條件和相關(guān)工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，保持其余因素不變，分別建立凈距為隧洞直徑0.5倍、1倍、1.5倍、2倍、2.5倍、3倍等六種不同凈距的有限元模型，通過(guò)凈距對(duì)隧洞位移和應(yīng)力的影響模擬，獲得最佳凈距值。由于泄洪洞和引水洞的直徑均為4.2m，計(jì)算上述六個(gè)凈距值并取整后分別為2m、4m、6m、8m、10m和12m，分別記為工況1至工況6。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 圍巖特征點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同工況下的隧洞圍巖總位移進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中獲取泄洪洞和輸水洞的拱頂、底板、左拱腰和右拱腰四個(gè)關(guān)鍵部位的位移值，結(jié)果見(jiàn)表2。由表中的計(jì)算結(jié)果可知，隨著泄洪洞和引水洞凈距的不斷減小，兩隧洞各部位的總位移值均呈現(xiàn)出不斷增加的態(tài)勢(shì)。但是，當(dāng)泄洪洞和引水洞凈距大于等于6m時(shí)，增加的速率相對(duì)較小，各部位在不同工況下的位移值比較接近；當(dāng)凈距小于6m時(shí)，位移值呈現(xiàn)出迅速增加的態(tài)勢(shì)，各部位的位移值急速增大。由此可見(jiàn)，泄洪洞和輸水洞的最小凈距應(yīng)該以6m為宜[9- 12]。

表2 圍巖總位移計(jì)算結(jié)果 單位：mm

3.2 中巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析

由于泄洪洞和引水洞之間的巖體受開(kāi)挖影響較大，同時(shí)也是隧洞建成后的重要受力部分，因此在研究中利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同工況下的中巖Von-Mises應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算結(jié)果中提取8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果(特征點(diǎn)位于中巖中線(xiàn)，最高點(diǎn)高于拱頂1m，最低點(diǎn)低于底板1m，所有特征點(diǎn)呈等距分布，特征點(diǎn)自上而下分別編號(hào)為1- 8)，并繪制出如圖2所示的Von-Mises應(yīng)力變化曲線(xiàn)。由圖可知，各個(gè)特征點(diǎn)的Von-Mises應(yīng)力隨著凈距的減小而增大，位于拱腰部位的特征點(diǎn)4和特征點(diǎn)5的表現(xiàn)最為明顯。從不同工況的結(jié)果對(duì)比來(lái)看，當(dāng)凈距小于6m時(shí)，應(yīng)力增大的速率明顯偏大，說(shuō)明中巖的應(yīng)力疊加效應(yīng)十分顯著；而凈距大于6m時(shí)，應(yīng)力的變化較為平緩。綜上，從中巖應(yīng)力特征來(lái)看，最小凈距應(yīng)該為6m[13- 15]。

圖2 各工況Von-Mises應(yīng)力變化曲線(xiàn)

3.3 塑性區(qū)特征計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同工況下隧洞開(kāi)挖之后的等效塑性應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出如圖3所示的最大等效塑性應(yīng)變值隨凈距的變化曲線(xiàn)。由圖可知，圍巖的最大等效塑性應(yīng)變值隨著凈距的減小而增大，當(dāng)凈距小于6m時(shí)，增大速率十分迅速，當(dāng)凈距大于6m時(shí)增加的速率比較平緩。由此可見(jiàn)，當(dāng)凈距小于6m時(shí)，凈距為圍巖塑性區(qū)的分布影響較大，容易造成中巖塑性區(qū)的貫通，當(dāng)凈距大于6m時(shí)，凈距對(duì)塑性區(qū)的分析影響較小。因此，從塑性區(qū)分布來(lái)看，泄洪洞和引水洞的最小凈距應(yīng)以6m為宜。

圖3 等效塑性應(yīng)變隨凈距變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

此次研究以某電站左岸的泄洪洞和引水隧洞并行段為例，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)并行水工隧洞最小凈距問(wèn)題進(jìn)行研究分析，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)隨著凈距的不斷減小，隧洞圍巖的總位移值不斷增加；當(dāng)凈距小于6m時(shí)圍巖的位移值急速增大。

(2)隧洞中巖各個(gè)特征點(diǎn)的Von-Mises應(yīng)力隨著凈距的減小而增大，當(dāng)凈距小于6m時(shí)，增大的速率明顯偏大，說(shuō)明中巖的應(yīng)力疊加效應(yīng)十分顯著。

(3)圍巖的最大等效塑性應(yīng)變值隨著凈距的減小而增大；凈距小于6m時(shí)，凈距為圍巖塑性區(qū)的分布影響較大，容易造成中巖塑性區(qū)的貫通，當(dāng)凈距大于6m時(shí)，凈距對(duì)塑性區(qū)的分析影響較小。

(4)綜合研究成果，泄洪洞和引水洞的最小凈距應(yīng)以6m為宜，可以為具體的工程設(shè)計(jì)提供參考。