于秀英

（凌源市興源街道水利站，遼寧凌源 122500）

1 工程概況

勝利水電站是一座以發(fā)電和防洪為主，兼有其他諸多功能的大型水利樞紐工程，同時(shí)也是渾河的重要支流蘇子河梯級(jí)開(kāi)發(fā)的重要工程。電站的壩址位于遼寧省新賓縣勝利村境內(nèi)[1]。電站大壩為混凝土重力壩壩型，按照30年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，按照百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，設(shè)計(jì)水位和校核水位高度分別為146.78m和148.07m，設(shè)計(jì)庫(kù)容6.98億m3[2]。勝利水電站的發(fā)電引水隧洞位于大壩右岸，其進(jìn)口部位的圍巖等級(jí)較低，主要由全風(fēng)化到強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成。軟巖地下洞室開(kāi)挖工程施工初期的流變效應(yīng)往往會(huì)給施工工作造成嚴(yán)重影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件，進(jìn)洞之后的前30.0m采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，然后進(jìn)行大管棚注漿加固。在圍巖基本穩(wěn)定之后，利用三臺(tái)階仰拱法開(kāi)挖施工，之后進(jìn)行流水開(kāi)挖。

2 加固方案設(shè)計(jì)

2.1 施工現(xiàn)狀

由于發(fā)電引水隧洞進(jìn)口部位的圍巖質(zhì)量較差，屬于全風(fēng)化V級(jí)圍巖。其中隧洞的洞底在開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)了大量的滲水現(xiàn)象，造成洞底基底軟弱，同時(shí)洞底的下沉導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)的拱架變形和襯砌混凝土開(kāi)裂等比較嚴(yán)重的變形。鑒于情況比較嚴(yán)重，為了保證施工安全及建成后的引水隧洞能夠穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)引水隧洞進(jìn)口100.0m以?xún)?nèi)的引水隧洞洞底進(jìn)行注漿加固，以提升洞底的承載力，達(dá)到控制隧洞變形，保證施工安全進(jìn)行的目的[3]。

2.2 加固措施

結(jié)合洞底軟弱基底的實(shí)際情況，擬采用注漿加固的方式。具體措施為將該洞段洞底的C15混凝土換填為1.5m，下部采用注漿鋼花管進(jìn)行注漿，間距為1.5m×1.5m，梅花型布置。但是，考慮到回填深度和注漿管長(zhǎng)度會(huì)對(duì)隧洞變形造成比較明顯的影響[4]，研究中設(shè)計(jì)1.0m和1.5m兩種不同的回填深度，以及4.0m和8.0m兩種不同的注漿花管長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)出如表1所示的5種具體加固方案。針對(duì)不同的加固方案，利用數(shù)值模擬分析方法對(duì)隧洞的應(yīng)力和位移特征進(jìn)行模擬計(jì)算分析，并對(duì)各種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，以獲取最優(yōu)的加固方案，為施工的順利進(jìn)行提供必要的支持。

表1 具體加固方案m

3 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

3.1 FLAC3D有限差分軟件

FLAC是ITASCA公司開(kāi)發(fā)的一款專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于巖土工程分析的大型有限元差分分析軟件[5]，其中FLAC3D是FLAC二維計(jì)算程序的三維擴(kuò)展，在功能上有了較大的提高和改善，可以有效模擬三維巖土體材料的力學(xué)特征，非常適合巖土材料大變形模擬分析，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地下洞室、邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、隧道、深基坑等諸多領(lǐng)域[6]。由于該軟件可以利用應(yīng)變?cè)隽繑?shù)值，循序計(jì)算獲取應(yīng)力增和平衡力，能夠十分準(zhǔn)確地模擬材料的流動(dòng)特征和塑性破壞，大大優(yōu)于有限元降階法。因此，此次研究選擇FIAC3D有限差分軟件進(jìn)行進(jìn)口開(kāi)挖洞段的有限元模型構(gòu)建。

3.2 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

結(jié)合勝利水電站引水隧洞入口V級(jí)圍巖洞段的實(shí)際情況，選擇典型斷面K+013進(jìn)行有限元計(jì)算模型的構(gòu)建。根據(jù)初始工程設(shè)計(jì)，K+013斷面埋深較小，最大埋深為36.0m，該斷面為2.8m×3.0m城門(mén)洞型斷面設(shè)計(jì)。根據(jù)巖土力學(xué)領(lǐng)域的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，地下洞室工程開(kāi)挖施工對(duì)圍巖的影響主要集中于5倍洞徑以?xún)?nèi)的區(qū)域[7]。為了保證計(jì)算的精度和研究結(jié)果的科學(xué)性，同時(shí)考慮計(jì)算量，研究中以10倍洞徑為標(biāo)準(zhǔn)確定模型的計(jì)算范圍。

在模型計(jì)算過(guò)程中，以垂直于隧洞中心線(xiàn)指向右側(cè)的方向?yàn)閄軸正方向；以隧洞中線(xiàn)指向下游的方向?yàn)閅軸的正方向；以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向。FLAC3D軟件中提供了豐富的網(wǎng)格單元類(lèi)型，結(jié)合研究需求和工程實(shí)際，對(duì)構(gòu)建的幾何模型利用六面體等參數(shù)單元進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?；?duì)隧洞附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格單元的平均邊長(zhǎng)為0.8m，其余部位的網(wǎng)格單元平均尺寸為4.0m。整個(gè)模型劃分為12367個(gè)網(wǎng)格單元，14560個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

3.3 約束條件與計(jì)算參數(shù)

邊界條件是影響模型構(gòu)建和計(jì)算結(jié)果科學(xué)性、準(zhǔn)確性的重要因素。為了適應(yīng)不同研究對(duì)象的實(shí)際情況，F(xiàn)LAC3D軟件提供了類(lèi)型豐富的邊界條件。結(jié)合本文研究的目的，對(duì)構(gòu)建的模型選擇位移邊界條件和應(yīng)力邊界條件。具體而言，忽略模型上部的碎石影響，僅考慮全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的影響，在模型的上部邊界施加0.35MPa法向均布荷載，在模型的兩側(cè)施加1.04MPa的水平荷載，以模擬隧洞上部圍巖自重的應(yīng)力影響。研究中結(jié)合開(kāi)挖實(shí)際，每個(gè)臺(tái)階開(kāi)挖3.0m，共完成3個(gè)臺(tái)階的開(kāi)挖，共9步。模型的上部為自由邊界條件，在模型的左側(cè)和右側(cè)施加水平位移約束，模型的底部為全位移約束條件[8]。模型材料的物理力學(xué)參數(shù)也是影響計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素，研究中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，確定如表2所示的模型材料物理力學(xué)參數(shù)。

表2 模型材料計(jì)算參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 應(yīng)力

在模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中，提取研究洞段基底中心和端側(cè)的應(yīng)力值，結(jié)果如表3所示。由表3的結(jié)果可知，在加固方案1條件下，基底中心和端側(cè)應(yīng)力值最大，并表現(xiàn)為壓應(yīng)力，這說(shuō)明采取加固措施對(duì)減小圍巖應(yīng)力水平具有重要作用。加固方案3的基底中心壓力值最小，為-46.04MPa；計(jì)算方案5的端側(cè)應(yīng)力值最小，為-60.47MPa。由此可見(jiàn)，從地基受力分析的視角來(lái)看，方案4和方案5的加固效果最佳。

表3 研究洞段基底中心和端側(cè)應(yīng)力計(jì)算成果MPa

4.2 位移

在位移模擬計(jì)算結(jié)果中，提取隧洞拱頂、拱腰和仰拱等3個(gè)關(guān)鍵部位的位移數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，采取加固措施對(duì)約束隧洞襯砌變形具有十分顯著的作用。從數(shù)據(jù)來(lái)看，加固巖土體越深，對(duì)拱頂沉降變形的控制效果并不是越好。在同樣的回填深度條件下，加固深度為4.0m的兩個(gè)方案的拱頂沉降量明顯小于加固深度為8.0m的兩個(gè)計(jì)算方案。

表4 位移計(jì)算結(jié)果mm

從拱腰收斂變形來(lái)看，方案2和方案3的收斂變形量相對(duì)較大，方案4和方案5的收斂變形量相對(duì)較小，由此可見(jiàn)，水平應(yīng)力和變形與回填深度的關(guān)聯(lián)度較高，回填深度為1.5m情況下，拱腰的收斂變形量明顯偏小。

從仰拱位移來(lái)看，方案2和方案4表現(xiàn)為向上位移，方案2在控制仰拱位移方面優(yōu)于方案4；方案3和方案5表現(xiàn)為向下位移，方案3在控制仰拱位移方面優(yōu)于方案5?？傮w而言，方案4在控制仰拱位移方面效果最佳。

綜上，方案4在拱頂沉降、拱腰收斂及仰拱位移控制方面，均可以取得最佳效果。鑒于方案4和方案5的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比較接近，沒(méi)有明顯的差別，因此推薦方案4為最佳加固方案。