劉有全，張利平，靳俊杰，石廣斌

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065；2.中國電建集團(tuán)水電工程十一局有限公司，鄭州 450001;3.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，西安 710048)

0 前 言

水電站調(diào)壓井在水電站引水發(fā)電系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。近年來，隨著國內(nèi)外水電資源的開發(fā)，大直徑異形調(diào)壓井結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也越來越多，影響圍巖穩(wěn)定性的因素愈加多樣復(fù)雜，主要表現(xiàn)在巖性物理力學(xué)特性、巖體結(jié)構(gòu)面、初始地應(yīng)力、地下水等。因此，需要采用彈塑性有限元和關(guān)鍵塊體理論研究圍巖在支護(hù)情況下的整體與局部穩(wěn)定情況[1-6]。調(diào)壓井開挖過程三維彈塑性有限元計算分析可以得出調(diào)壓開挖過程圍巖塑性區(qū)和變形分布特征，該特征可為圍巖系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)確定提供科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵塊體理論可計算出在噴錨系統(tǒng)支護(hù)下塊體穩(wěn)定安全系數(shù)，可為系統(tǒng)錨桿入巖深度和間排距、錨桿直徑以及噴混凝土厚度的調(diào)整，提供一定量化依據(jù)。

贊比亞下凱富峽水電站調(diào)壓井為露天開敞式，開挖深度為133.5 m，最大開挖直徑為50.8 m，局部懸壁開挖深度為7.3 m，規(guī)模位于國內(nèi)外同類工程前列。在調(diào)壓井開挖過程中，圍巖穩(wěn)定和施工安全問題比較突出，因此維護(hù)圍巖穩(wěn)定是一個至關(guān)重要的安全、技術(shù)問題。本文通過規(guī)范法和工程類比法，擬定大型調(diào)壓井圍巖系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)，應(yīng)用三維彈塑性有限元和關(guān)鍵塊體理論對圍巖系統(tǒng)支護(hù)錨桿長度進(jìn)行優(yōu)化分析，并結(jié)合類似工程比較，提出圍巖支護(hù)優(yōu)化措施，為工程設(shè)計提供支撐。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)基本條件

本工程調(diào)壓井位于山梁部位，主要巖性為雜巖系石英長石云母片麻巖和黑云母片麻巖。調(diào)壓井高程570.00 m以上井壁穩(wěn)定性差，為Ⅳ類圍巖；高程506.00～570.00 m段井壁穩(wěn)定性一般，圍巖為Ⅲ類；斷層破碎帶及裂隙密集帶段為Ⅳ類圍巖。地下水排泄條件較好，調(diào)壓井整體位于地下水位以上。

調(diào)壓井段巖體中裂隙主要分為3組，第①組產(chǎn)狀為NW276°～300°SW∠53°～69°，裂隙一般寬0.2～0.3 cm，充填巖粉，鈣膜，局部為石英脈，地表裂隙張開，無充填，膠結(jié)一般，該組傾角陡，對調(diào)壓井井壁穩(wěn)定不利；第②組產(chǎn)狀為NE35°～73°SE∠60°～80°，寬0.1～0.3 cm，充填巖片、巖屑，面平直較光滑，傾角陡，對調(diào)壓井井壁穩(wěn)定不利；第③組為片麻理面裂隙，產(chǎn)狀為NE50°～85°NW∠15°～25°，充填巖屑，局部充填石英脈，膠結(jié)一般，面平直稍粗糙。調(diào)壓井圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 調(diào)壓井圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

1.2 調(diào)壓井結(jié)構(gòu)布置

贊比亞下凱富峽水電站為混合式電站，工程主要任務(wù)是發(fā)電。該電站引水系統(tǒng)主要建筑物包括進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井和壓力管道。引水系統(tǒng)總長約5.2 km，引水隧洞襯砌后內(nèi)直徑為11.4 m，在距離引水隧洞進(jìn)口約4.5 km處設(shè)置調(diào)壓井。井內(nèi)連接有7條岔洞，分別為1條引水隧洞、1條調(diào)壓井交通洞、5條發(fā)電洞，調(diào)壓井下游設(shè)置事故閘室，調(diào)壓井開挖斷面為半圓形+扇形，最大開挖直徑為50.8 m，最大開挖跨度62.4 m，開挖深度為133.5 m，尤其是閘室頂拱部位徑向擴(kuò)挖7.3 m，形成一內(nèi)、外弧長分別為64.4 m和81.5 m的倒懸。調(diào)壓井布置見圖1。

圖1 調(diào)壓井結(jié)構(gòu)布置 單位：m

2 圍巖系統(tǒng)錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

2.1 調(diào)壓井系統(tǒng)錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化過程

本工程調(diào)壓井系統(tǒng)錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析采用三維彈塑性有限元和關(guān)鍵塊體理論相結(jié)合的方法，具體過程如圖2。

圖2 錨桿長度優(yōu)化流程

2.2 支護(hù)措施初步擬定

巖體豎井工程圍巖支護(hù)措施主要是素噴混凝土(掛網(wǎng))+錨桿，局部錨索。國內(nèi)現(xiàn)行GB 50086-2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》關(guān)于系統(tǒng)噴錨支護(hù)參數(shù)的豎井最大直徑為15 m；DL/T 5195-2004《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》的最大直徑為30 m，Ⅲ類圍巖最大直徑只有20 m，Ⅳ類圍巖最大直徑只有15 m。對于開敞式豎井井口均用長錨桿和1 m厚鋼筋混凝土襯砌鎖口。參考類似工程見表2，調(diào)壓井邊墻系統(tǒng)錨桿長度L與調(diào)壓井直徑D的比值為0.08～0.32，平均為0.15；與調(diào)壓井開挖高度H比值為0.04～0.14，平均為0.09。以此初步擬定本工程調(diào)壓井圍巖系統(tǒng)支護(hù)措施見表 2，系統(tǒng)錨桿長度L與調(diào)壓井直徑D的比值為0.18～0.25，與調(diào)壓井開挖高度H比值為0.07。

表2 國內(nèi)部分大型調(diào)壓井圍巖支護(hù)參數(shù)

2.3 三維有限元模型

根據(jù)調(diào)壓井開挖體形和高度，開挖施工過程模擬分6個階段，即第1階段：開挖調(diào)壓井豎井高程615.00～600.00 m；第2階段：開挖調(diào)壓井豎井高程600.00～564.00 m；第3階段：開挖調(diào)壓井豎井高程564.00～537.00 m；第4階段：開挖調(diào)壓井豎井高程537.00～513.00 m；第5階段：開挖調(diào)壓井豎井高程513.00～597.00 m；第6階段：開挖調(diào)壓井豎井高程497.00～481.50 m，調(diào)壓井三維有限元模型如圖3所示。模型采用直角坐標(biāo)系，X軸代表順?biāo)鞣较?，指向下游為正；Y軸代表垂直水流方向，左岸為正；Z軸代表豎直方向，指向上為正。錨桿用桿單元模擬，圍巖用Solid單元模擬。模型底部為固端約束，四周側(cè)面為法向約束，頂面為自由面。計算分析采用的軟件為MIDAS NX。

圖3 調(diào)壓井三維有限元模型

巖體初始地應(yīng)力按自重應(yīng)力場考慮。Ⅲ類圍巖摩擦系數(shù)f′=1.0，黏聚力c′=1.0 MPa，變形模量E0=8.0 GPa。Ⅳ類圍巖摩擦系數(shù)f′=0.70，黏聚力c′=0.3 MPa，變形模量E0=3.0 GPa。巖體采用屈服準(zhǔn)則為摩爾-庫倫準(zhǔn)則。

按照圖2系統(tǒng)錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化流程，先后2次調(diào)整系統(tǒng)錨桿長度并進(jìn)行相應(yīng)的計算。3種噴錨支護(hù)方案中錨桿直徑均為32.0mm，間排距2.0 m×2.0 m(水平向×豎直向)矩形布置，錨桿長度如下：

(1)方案a:系統(tǒng)錨桿長度L=9.0 m。

(2)方案b:高程513.00 m以上的錨桿長度L= 6.0 m/9.0 m；高程481.50～513.00 m的系統(tǒng)錨桿長度L= 9.0 m。

(3)方案c:高程513.00 m以上的系統(tǒng)錨桿長度L=4.5 m/6.0 m；高程481.50～513.00 m的系統(tǒng)錨桿長度L=9.0 m。

2.4 三維有限元計算結(jié)果及分析

(1)圍巖塑性區(qū)

3種噴錨支護(hù)方案對圍巖塑性區(qū)深度和范圍分布影響很小，最大深度影響率為8.0%。調(diào)壓井開挖結(jié)束后，圍巖塑性區(qū)主要出現(xiàn)在高程513.00 m以下，高程513.00～495.40 m井筒圍巖塑性區(qū)最大深度為6.0 m；調(diào)壓井底部高程481.50～495.40 m且靠近流道上游圍巖，因受兩邊開挖的影響，塑性區(qū)深度較大；圖4是方案3塑性區(qū)分布示意圖，在靠近流道上游塑性區(qū)的最大深度為13.5 m(見圖4(b))；豎井與發(fā)電洞交叉口圍巖處于塑性狀態(tài)，圍巖塑性區(qū)的最大深度為5.0 m。高程513.00 m以上，圍巖塑性區(qū)分布的范圍很小，最大深度為5.6 m。高程513.00 m以下的部分塑性區(qū)深度大于錨桿入巖長度，但90%錨桿長度穿過圍巖塑性區(qū)，所有錨桿長度均大于塑性區(qū)深度的70%；高程513.00 m以上的錨桿入巖長度基本穿過塑性區(qū)深度。

圖4 調(diào)壓井開挖圍巖塑性區(qū)分布

(2)圍巖變形

3種噴錨支護(hù)方案圍巖水平變形較小，差異性也較小，差值約0.5 mm。拿方案3來說，調(diào)壓井開挖結(jié)束引起的最大水平變形為8.1 mm，是豎井開挖洞徑36.0 m的0.023%。調(diào)壓井每個階段開挖最大水平變形增加幅度較小，如圖5所示，增幅為0.1～2.9 mm，上下游方向增幅要大于垂直水流方向。上下游方向水平變形大于垂直水流方向的水平變形，變形最大值位于下部，這與下部地應(yīng)力較高有關(guān)，也是第6階段開挖變形增幅最大原因之一；另外一個原因是高程513.00 m下游存在長度7.3 m的倒懸。

圖5 每一階段開挖后最大水平變形

(3)錨桿應(yīng)力

98%錨桿的拉應(yīng)力在250 MPa以下，錨桿最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在流道開挖交叉口處，3種方案高程513.00 m以上部位錨桿軸向應(yīng)力最大值分別為49.5、56.0、60 MPa；高程513.00 m以下部位錨桿軸向應(yīng)力最大值分別為332.3、384.9、384.9 MPa，小于錨桿屈服強(qiáng)度450 MPa。

2.5 塊體穩(wěn)定分析

圖6～8為塊體分布與系統(tǒng)錨桿長度對比關(guān)系示意圖。塊體特征見表3～5。計算分析結(jié)果如下：

圖6 高程615.00～513.00 m的塊體分布及支護(hù)圖

圖7 高程513.00～495.00 m楔形體分布及支護(hù)圖

圖8 高程495.00～481.50 m的塊體分布及支護(hù)圖

表3 高程 615.00～513.00 m塊體特征

表4 高程513.00～495.00 m塊體特征

表5 高程495.00～481.50 m塊體特征

(1)在圍巖中延伸深度較大的塊體，自然狀態(tài)下即不考慮支護(hù)，安全系數(shù)大于1.5。

(2)在噴錨系統(tǒng)支護(hù)下，井壁上所有塊體體安全系數(shù)大于1.5，說明一期支護(hù)措施滿足要求。

(3)在施工開挖過程中，如果一期系統(tǒng)支護(hù)措施不及時或不支護(hù)，由于開挖卸荷，巖體松弛影響，巖體結(jié)構(gòu)面凝聚會大幅度降低，甚至降到0，當(dāng)c′=0時，部分塊體的安全系數(shù)小于1.0，因此，若不及時施加一期系統(tǒng)支護(hù)措施，圍巖就會發(fā)生漸進(jìn)性的剝落或塌落破壞，拖延時間過長，甚至?xí)?dǎo)致較大的塌方。

2.6 支護(hù)措施優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)施工力學(xué)過程三維有限元模擬計算和塊體穩(wěn)定分析，并結(jié)合類似工程類比，提出的支護(hù)措施為：高程513.00 m以上布置系統(tǒng)錨桿，直徑為32 mm，長度為6.0 m/4.5 m，間排距為2.0m×2.0m(水平×豎直)矩形布置；高程481.50～513.00 m布置系統(tǒng)錨桿，直徑為32 mm，長度為9.0 m，間排距為2.0 m×2.0 m(水平×豎直)矩形布置；掛?6 @200 ×200網(wǎng),噴混凝土C25，厚度為10 cm。優(yōu)化后系統(tǒng)錨桿長度L與調(diào)壓井開挖深度H之比為0.033～0.037?？紤]高程513.00 m處局部懸空穩(wěn)定需要，在高程513.00 m高程倒懸體以上布置5排直徑為32 mm，長度為12.0 m，間距為1.0 m×1.0 m(水平×豎直)的長錨桿。

3 現(xiàn)場支護(hù)效果

根據(jù)調(diào)壓井開挖體形及開挖高度，分別在井口以下20 m(高程596.00 m)及閘室倒懸體上部2.3 m(高程516.00 m)處布置多點位移計、錨桿應(yīng)力計等。

錨桿應(yīng)力與圍巖變形監(jiān)測值相對較大區(qū)域與三維有限元計算結(jié)果規(guī)律基本一致，均發(fā)生在開挖交叉處，錨桿應(yīng)力監(jiān)測最大值為70.6 MPa，對應(yīng)該部位三維有限元計算錨桿應(yīng)力為120.0 MPa。事故閘室倒懸處圍巖監(jiān)測變形最大值為1.53 mm，比計算值小6.57 mm，監(jiān)測值偏小的主要原因可以歸結(jié)為以下3個方面:一是計算得到的變形是豎井整個開挖全過程變形完整的積累，不存在時間滯后效應(yīng)，而多點位移計監(jiān)測到的變形通常具有很大的滯后效應(yīng)，對于本工程來說，埋在高程516.00 m的多點位移計基本測不到高程516.00 m 以上開挖卸荷引起的圍巖變形，測到的主要是5階段和6階段的開挖變形即高程516.00～481.50 m段巖體開挖所引起的變形。根據(jù)圖5可得出該階段開挖所引起的總變形約為3.9 mm，該變形值比該處實際測到的最大變形值大2.37 mm；二是巖體是一種非常不均勻介質(zhì)，難以給出準(zhǔn)確的物理力學(xué)特性指標(biāo)；三是巖體初始地應(yīng)力分布和量值也存在不準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

(1)通過規(guī)范計算和工程類比，初步擬定大型調(diào)壓井圍巖系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)，并用三維有限元計算分析，結(jié)果表明不同錨桿長度對圍巖塑性區(qū)、變形影響很小。

(2)基于圍巖塑性區(qū)分布和塊體穩(wěn)定計算結(jié)果，結(jié)合類似工程類比，提出了安全可靠、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的圍巖系統(tǒng)錨桿支護(hù)參數(shù)，優(yōu)化后的圍巖系統(tǒng)錨桿長度L與調(diào)壓井開挖深度H之比最小值為0.033。

(3)由現(xiàn)場圍巖變形和錨桿應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，三維有限元計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測值分布和大小具有較好的一致性；調(diào)壓開挖過程中，沒有因支護(hù)強(qiáng)度不夠而發(fā)生局部塌方，說明圍巖整體穩(wěn)定滿足要求，由此技術(shù)方法優(yōu)化確定的圍巖系統(tǒng)支護(hù)措施是可靠的。