苗立業(yè)

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽(yáng)110003）

1 工程背景

石河發(fā)源于遼寧省綏中縣加碑巖鄉(xiāng)大嶺根，全長(zhǎng)67.7 km，為該縣較大的獨(dú)流入海河流。大風(fēng)口水庫(kù)為石河干流上的一座以防洪和供水為主，兼具灌溉、旅游等多種功能為一體的大（2）型水利樞紐工程，壩址以上河長(zhǎng)38.7 km，集雨面積為251 km2，設(shè)計(jì)洪水為百年一遇，設(shè)計(jì)水位為113.66 m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5 000 年一遇，校核洪水位為119.48 m[1]。為了解決綏中火電廠的用水需求，需要在水庫(kù)大壩右壩端原輸水隧洞的右側(cè)新建1 條輸水隧洞。新建輸水隧洞全長(zhǎng)255 m，主要由進(jìn)口明渠、豎井、洞身段、明管段以及出口壓力箱等五部分組成[2]。

輸水隧洞所處區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，巖體的風(fēng)化程度較高，且存在大量的節(jié)理裂隙，自穩(wěn)性較差。結(jié)合隧洞圍巖的實(shí)際情況，在施工過(guò)程中擬采用全斷面開(kāi)挖方式。為了保證開(kāi)挖施工的順利進(jìn)行，施工過(guò)程中采用了砂漿錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架和噴射混凝土相結(jié)合的初支方式。其中，砂漿錨桿長(zhǎng)2.0 m、直徑為25 mm，鋼拱架為I20a型鋼；研究洞段的二襯擬采用C30 混凝土，厚度為50 cm。安全性是水工隧洞施工中的首要追求目標(biāo)，因此在當(dāng)前的施工設(shè)計(jì)中往往為了確保施工安全，造成設(shè)計(jì)指標(biāo)往往偏于保守，這顯然不利于工程經(jīng)濟(jì)性的實(shí)現(xiàn)[3]。因此，如何兼顧工程本身的安全性和經(jīng)濟(jì)性，就成為工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中的重要課題[4]?；诖?，此次研究以具體工程為背景，通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析的方法，研究和分析二襯混凝土參數(shù)對(duì)輸水隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響，并提出相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)建議。

2 FLAC3D 有限元計(jì)算模型

2.1 軟件的選擇

FLAC 軟件為巖土工程研究領(lǐng)域的常用分析軟件，該軟件由美國(guó)ITASCA 公司研發(fā)[5]，共包括二維和三維兩個(gè)主要版本。此次研究采用的FLAC3D 作為軟件的三維版本是二維版本的拓展，其功能更為強(qiáng)大和完善，并主要用于巖土體以及相關(guān)類似材料的結(jié)構(gòu)受力分析和研究，具有重要實(shí)用意義和價(jià)值。從軟件的算法來(lái)看，由于采用了混合-離散分區(qū)技術(shù)，因此使巖土體材料的結(jié)構(gòu)受力分析更為便捷，顯著減小了計(jì)算的復(fù)雜性和強(qiáng)度，相對(duì)于其他有限元模擬軟件具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)較小的計(jì)算量，獲得更為科學(xué)和準(zhǔn)確的模擬計(jì)算結(jié)果[6]。

2.2 模型的建立

根據(jù)工程設(shè)計(jì)，大風(fēng)口水庫(kù)新建輸水隧洞斷面尺寸為4.0 m×5.8 m，為典型的城門洞型設(shè)計(jì)。根據(jù)地下洞室工程的相關(guān)研究成果，地下洞室工程開(kāi)挖對(duì)圍巖應(yīng)力和應(yīng)變的影響范圍主要集中于5 倍洞徑以內(nèi)的區(qū)域，對(duì)該區(qū)域之外的影響小于5%。因此，研究中模型的水平和豎直方向的計(jì)算范圍按照洞徑的5 倍計(jì)算，長(zhǎng)度確定為6.0 m，整個(gè)模型的尺寸為60 m×60 m×6 m[7]。結(jié)合相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)計(jì)算模型設(shè)置位移邊界條件：模型的底部施加全位移約束，模型的四周施加水平位移約束，模型的頂部不施加位移約束，為自由邊界條件。模型支護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土采用線彈性模型模擬，圍巖巖體采用庫(kù)倫-摩爾本構(gòu)模型模擬[8]。為充分考慮不同材料對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)模型的圍巖巖體和二次襯砌混凝土、初襯噴射混凝土以及錨桿分別采用實(shí)體單元、Shell 單元和Cable 單元模擬，以提高模型的計(jì)算精度。對(duì)構(gòu)建的幾何模型采用六面體8 節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并對(duì)隧洞周邊圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格加密，最終獲得35 400 個(gè)計(jì)算單元。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 二襯混凝土厚度的影響

為研究二次襯砌混凝土厚度的影響，以獲取最佳的二次襯砌厚度，結(jié)合相關(guān)研究成果和工程實(shí)際，設(shè)計(jì)30，35，40，45，50 cm 等5 種不同厚度計(jì)算方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析厚度因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。

3.1.1 圍巖變形分析

利用已構(gòu)建的三維有限元模型，對(duì)5 種不同二襯混凝土厚度計(jì)算方案下的圍巖位移變形進(jìn)行模擬計(jì)算，并從計(jì)算結(jié)果中提取出拱頂豎向位移以及側(cè)墻水平位移的最大值，結(jié)果如圖1 所示。由計(jì)算結(jié)果可知，無(wú)論是拱頂?shù)某两滴灰七€是側(cè)墻的水平位移，均隨著混凝土厚度的增加而減小。這說(shuō)明，增加二襯混凝土的厚度可以在一定程度上控制研究洞段的拱頂沉降和水平位移變形。當(dāng)襯砌混凝土小于40 cm 時(shí)，位移量的減小幅度較大，當(dāng)厚度超過(guò)40 cm 時(shí)，減小的幅度極為有限。這說(shuō)明，在二襯混凝土的厚度超過(guò)40 cm 時(shí)，施工成本仍會(huì)明顯增加，而控制位移變形的作用會(huì)明顯減弱。

3.1.2 圍巖塑性區(qū)分析

利用已構(gòu)建的三維有限元模型，對(duì)5 種不同二襯混凝土厚度計(jì)算方案下的研究洞段圍巖塑性區(qū)進(jìn)行模擬計(jì)算，并提取出塑性區(qū)面積的計(jì)算結(jié)果，如表1 所示。由計(jì)算結(jié)果可知，隨著二次襯砌混凝土厚度的增加，圍巖塑性區(qū)的范圍不斷減小。這說(shuō)明，增加二次襯砌混凝土的厚度，有助于圍巖塑性區(qū)面積的控制。當(dāng)混凝土的厚度小于40 cm 時(shí)，當(dāng)前和過(guò)去剪切塑性區(qū)的面積呈顯著減小的趨勢(shì)；而厚度大于40 cm 時(shí)，雖然當(dāng)前剪切塑性區(qū)域逐漸減小并消失，但是過(guò)去剪切塑性區(qū)域的面積變化并不明顯?？傊?，結(jié)合圍巖位移變形和塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果，應(yīng)將二襯混凝土的厚度設(shè)計(jì)為40 cm，這不僅可以保證工程的安全性，還可以有效控制施工成本。

圖1 位移隨混凝土厚度變化曲線

表1 不同襯砌厚度下圍巖塑性區(qū)面積計(jì)算結(jié)果m2

3.2 二襯混凝土強(qiáng)度的影響

為研究二次襯砌混凝土強(qiáng)度的影響，以獲取最佳的二次襯砌混凝土強(qiáng)度，結(jié)合相關(guān)研究成果和工程實(shí)際，設(shè)計(jì)了C20，C25，C30，C35，C40 等5 種不同強(qiáng)度設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析混凝土強(qiáng)度因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。

3.2.1 圍巖變形分析

利用已構(gòu)建的三維有限元模型，對(duì)5 種不同強(qiáng)度設(shè)計(jì)方案下的圍巖位移變形進(jìn)行模擬計(jì)算，并從計(jì)算結(jié)果中提取出拱頂豎向位移以及側(cè)墻水平位移的最大值，結(jié)果如圖2 所示。由計(jì)算結(jié)果可知，無(wú)論是拱頂?shù)某两滴灰七€是側(cè)墻的水平位移，都沒(méi)有十分明顯的變化，這說(shuō)明二次襯砌混凝土的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)控制圍巖變形的作用極為有限。

圖2 不同混凝土強(qiáng)度下位移曲線

3.2.2 圍巖塑性區(qū)分析

利用已構(gòu)建的三維有限元模型，對(duì)5 種不同強(qiáng)度設(shè)計(jì)方案下的圍巖位移圍巖塑性區(qū)進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)出如表2 所示的圍巖塑性區(qū)面積。由表2 可知，圍巖塑性區(qū)的變化受混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響極為有限，即增加混凝土強(qiáng)度等級(jí)，對(duì)控制圍巖塑性區(qū)的作用并不明顯。因此，結(jié)合圍巖變形和塑性區(qū)的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)結(jié)合施工成本，建議選擇C25 混凝土進(jìn)行二次襯砌的施工。

表2 不同強(qiáng)度等級(jí)條件下的塑性區(qū)面積計(jì)算結(jié)果m2

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)遼寧省大風(fēng)口水庫(kù)新建輸水隧洞，研究二次襯砌混凝土的厚度和強(qiáng)度等級(jí)對(duì)圍巖位移和塑性區(qū)的影響，獲得如下主要結(jié)論：

1）增加二次襯砌混凝土的厚度有利于圍巖變形和塑性區(qū)的控制，但是在厚度超過(guò)40 cm 的情況下，控制作用會(huì)明顯減弱；

2）增加二襯混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)圍巖的位移和塑性的作用極為有限；

3）結(jié)合研究成果和工程的經(jīng)濟(jì)性，建議二次襯砌混凝土的厚度為40 cm，強(qiáng)度等級(jí)選擇C25 混凝土。