李凌霞，陳 濤，熊先濤，侯東奇

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川華能瀘定水電有限公司，四川 成都 626000)

1 工程概況

硬梁包水電站位于四川省甘孜州瀘定縣冷磧鎮(zhèn)境內(nèi)的大渡河干流，上游為瀘定水電站，下游梯級(jí)銜接大崗山水電站。樞紐采用“混凝土閘和面板堆石壩+左岸引水系統(tǒng)+地下廠房”的總布置方案，電站總裝機(jī)容量111.6萬(wàn)kW。本樞紐廠區(qū)尾水建筑物主要由尾閘室、尾水洞及尾水渠建筑物組成，并采用兩條無(wú)壓尾水洞(“兩機(jī)一洞”)+尾水閘室(室內(nèi)交匯)的布置方案[1]。

1.1 尾水洞地質(zhì)條件

硬梁包水電站的廠區(qū)應(yīng)力場(chǎng)屬中～高地應(yīng)力，以近EW～NWW向中～高構(gòu)造應(yīng)力為主，迭加自重應(yīng)力。尾水洞主要位于微新閃長(zhǎng)巖中，最大垂直埋深約630 m，總體上地質(zhì)條件較好，以Ⅲ類為主，但局部洞段穿過F1、F2和F4斷層及其影響帶段，巖體呈塊裂-碎裂結(jié)構(gòu)，且斷層之間發(fā)育有礦物定向排列、蝕變帶、英云團(tuán)塊等破碎巖體，圍巖條件復(fù)雜。尾水洞區(qū)域的斷層性狀如表1所示。廠址區(qū)1 149.0 m高程工程地質(zhì)平切示意見圖1。

表1 硬梁包尾水洞區(qū)域斷層特性

圖1 廠址區(qū)1 149.0 m高程工程地質(zhì)平切示意

1.2 尾水洞結(jié)構(gòu)布置

硬梁包水電站兩條尾水洞平行布置，洞軸線間距56 m，1號(hào)尾水洞長(zhǎng)1 066.75 m，2號(hào)尾水洞長(zhǎng)1 161.13 m，兩條尾水洞的縱坡均為0。尾水隧洞采用6.0 m×21.20 m(寬×高)城門洞型，洞頂高程為1 143.20 m，底板高程為1 122.00 m，凈斷面面積318.96 m2。為降低尾水隧洞底板與邊墻的應(yīng)力集中現(xiàn)象，采用R100 cm進(jìn)行倒角連接。硬梁包尾水洞支護(hù)設(shè)計(jì)見表2。

表2 硬梁包尾水洞支護(hù)設(shè)計(jì)

2 計(jì)算模型與參數(shù)

硬梁包水電站尾水洞的跨度大、洞較長(zhǎng)，且圍巖條件復(fù)雜，有必要對(duì)工程進(jìn)行圍巖的穩(wěn)定安全計(jì)算，并研究圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形情況，為工程的設(shè)計(jì)和施工提供支撐數(shù)值。鑒于隧洞圍巖的穩(wěn)定問題，可以將其簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變問題。本次計(jì)算選用ABAQUS軟件[2]，沿尾水洞軸線截取4個(gè)典型剖面，進(jìn)行開挖完成以及正常運(yùn)行和檢修等工況下的非線性有限元計(jì)算。巖體采用Mohr-Coulomb材料模型，錨桿和混凝土襯砌采用線彈性材料模型[3-5]。

2.1 典型剖面與數(shù)值模型

根據(jù)硬梁包尾水洞的地質(zhì)條件，截?、?類圍巖和 Ⅳ 類圍巖以及斷層影響洞段的4個(gè)典型剖面進(jìn)行計(jì)算，即A1-A2、B1-B2、C1-C2、D1-D2。4個(gè)剖面的有限元模型如圖2～5所示，模型特征如表3所示。

表3 有限元模型特征

圖2 A1-A2有限元模型 圖3 B1-B2有限元模型

2.2 材料參數(shù)

本次計(jì)算的巖體材料參數(shù)見表4。

圖4 C1-C2有限元模型 圖5 D1-D2有限元模型

表4 巖體材料參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

本次計(jì)算包含開挖完成以及正常運(yùn)行和檢修等工況，各工況的荷載組合如表5所示。鑒于尾水洞布置有排水設(shè)施，本次計(jì)算外部地下水位取至尾水洞洞頂。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》，Ⅲ1、Ⅳ、Ⅴ類圍巖外水壓力折減系數(shù)分別取0.20、0.35、0.35。內(nèi)水位為正常運(yùn)行水位1 133.72 m。

表5 計(jì)算工況與荷載組合

3 計(jì)算結(jié)果分析

各剖面的典型計(jì)算結(jié)果云圖如圖6所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析如下。

圖6 硬梁包尾水洞計(jì)算結(jié)果云圖

(1)Ⅲ1類圍巖洞段各工況下，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形較小，圍巖整體穩(wěn)定性較好，襯砌厚度滿足受力要求。

(2)開挖完成工況下，各剖面的圍巖變形最大。受Ⅴ類圍巖影響，B1-B2剖面1號(hào)尾水洞底板左側(cè)部位的圍巖位移達(dá)0.32 m。D1-D2剖面1號(hào)尾水洞頂拱和左側(cè)邊墻部位的圍巖位移約0.30 m。受Ⅳ類圍巖影響，C1-C2剖面1號(hào)尾水洞底板中部位移約0.11 m。

(3)正常運(yùn)行工況下，受Ⅴ類圍巖影響，B1-B2剖面和D1-D2剖面襯砌拉應(yīng)力較大。B1-B2剖面2號(hào)尾水洞襯砌的邊墻部位拉應(yīng)力為3.68 MPa，D1-D2剖面1號(hào)尾水洞襯砌頂拱、2號(hào)尾水洞襯砌左邊墻中部部位受拉，約1.80～1.90 MPa。

(4)由各剖面塑性區(qū)結(jié)果可知，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)范圍較大。B1-B2剖面1號(hào)尾水洞墻角和2號(hào)尾水洞左邊墻中部的圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)，范圍約10 m。C1-C2剖面1號(hào)尾水洞墻角和巖柱內(nèi)產(chǎn)生范圍較廣的塑性區(qū)，最大延伸超過20 m。D1-D2剖面1號(hào)尾水洞左側(cè)邊墻圍巖產(chǎn)生較大范圍塑性區(qū)，向外延伸約20 m。

硬梁包尾水洞計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 硬梁包尾水洞計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論及建議

本文采用ABAQUS軟件，對(duì)硬梁包尾水洞的4個(gè)典型剖面進(jìn)行了開挖完成以及正常運(yùn)行和檢修等工況下的非線性有限元計(jì)算，得出以下結(jié)論及建議。

(1)依據(jù)計(jì)算結(jié)果，硬梁包尾水洞的開挖支護(hù)設(shè)計(jì)基本滿足圍巖穩(wěn)定要求。根據(jù)已建成的瀑布溝水電站、黃金坪水電站等類似工程的施工、運(yùn)行情況，說明本設(shè)計(jì)是合理的。因此，硬梁包水電站尾水洞的開挖支護(hù)設(shè)計(jì)可以為后續(xù)的工程提供工程經(jīng)驗(yàn)。

(2)ABAQUS計(jì)算軟件能夠滿足地下隧洞開挖的圍巖穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。本文采用軟件自帶的嵌入模式模擬錨桿結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果相對(duì)于以往工程的實(shí)際情況偏小，后續(xù)可以采用不同方法進(jìn)行錨桿的模擬計(jì)算，并對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果。

(3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖變形較大，塑性區(qū)發(fā)展較廣，建議施工過程中密切關(guān)注地質(zhì)條件和圍巖變形情況，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)在地質(zhì)條件差的部位采取小導(dǎo)管等超前支護(hù)措施和深層支護(hù)措施。在襯砌受拉應(yīng)力較大的部位，建議采取加大配筋面積等措施，以提高襯砌抗拉強(qiáng)度。

(4)由計(jì)算可知，圍巖變形對(duì)巖體彈模參數(shù)敏感性較高。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)巖體彈模強(qiáng)度提高時(shí)，圍巖變形將大幅減小。