郭佳桐

（遼寧省石佛寺水庫管理局有限責任公司，遼寧 沈陽 110055）

1 工程背景

莊河抽水蓄能電站位于大連莊河市步云山鄉(xiāng)和桂云花鄉(xiāng)境內，為日調節(jié)抽水蓄能電站，設置4臺250MW機組，裝機容量1 000MW。電站主要建筑物由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)及下水庫等建筑物組成。其中，上水庫位于蒲東溝溝腦部位，下水庫位于宮屯村附近的蛤蜊河上，壩址位于宮屯村上游約280m的溝谷處，輸水系統(tǒng)和地下廠房位于上、下水庫間的山體內。上水庫正常蓄水位390.0m，死水位356.0m，調節(jié)庫容981萬m3，死庫容23萬m3，采用瀝青混凝土面板擋水。下水庫正常蓄水位151.0m，死水位139.0m，調節(jié)庫容1 122萬m3，死庫容233萬m3，大壩為碾壓混凝土重力壩。引水系統(tǒng)采用一洞兩機的布置型式，尾水系統(tǒng)采用一洞一機的布置型式，引水系統(tǒng)建筑物包括上水庫進、出水口、引水事故閘門井、引水隧洞、引水調壓井、高壓管道，尾水系統(tǒng)建筑物包括尾水隧洞、尾水事故兼檢修閘門井和下水庫進、出水口等。

引水發(fā)電系統(tǒng)的1#引水隧洞位移左側山體內。受到地形和地質條件的影響，在樁號2＋103—2＋155洞段需要穿過淺埋區(qū)，隧洞距離坡面的距離較小。該洞段的地表地形為河谷坡地，為中間高、兩頭低的饅頭山狀。由于工程項目區(qū)為濕潤地區(qū)，大氣降水充足，因此地下水賦存豐富，主要為裂隙水。巖體風化層孔隙水。由于研究洞段埋藏較淺，地質環(huán)境復雜，給開挖施工造成了一定的難度[1]?；诖耍舜窝芯客ㄟ^數值模擬的方法，探討隧洞埋深對開挖施工安全性的影響，為工程設計提供必要的支持和借鑒。

2 有限元計算模型

2.1 計算軟件

ABAQUS是一款大型通用有限元軟件，在巖土工程模擬研究領域具有不可比擬的優(yōu)勢。該軟件不僅具有強大的非線性處理能力，提高模擬計算的效率和質量，還可以提供豐富的巖土材料本構模型[2]。同時，其還可以提供程序的二次開發(fā)接口，可以自定義材料的特征和單元類型，可以使用戶方便快捷的解決相關工程問題。Midas GTS也是一款巖體工程領域常用的有限元分析軟件，在前處理建模方面具有獨特的優(yōu)勢[3]。基于此，此次研究利用Midas GTS軟件，建立符合實際工程情況的幾何模型，并將其導入到ABAQUS軟件中，進行隧洞開挖支護過程模擬[4]。

2.2 計算模型的構建

結合圣維南原理和相關研究實踐，在地下洞室工程開挖之后，圍巖應力會隨著和洞心距離的增大而減小，在5倍洞徑的部位，應力變化量不超過3%，可以忽略不計[4]?？紤]背景工程的設計資料和地形、地質情況，模型選擇水平方向的模擬范圍為40 m，豎直方向向下取30 m，向上至地表。對隧洞開挖支護過程中的圍巖巖體和注漿加固區(qū)采用3D實體單元模擬，襯砌采用2D板單元模擬[5]。錨桿和超前小導管采用1D植入式桁架進行模擬。為保證模型的計算精度，對隧洞周邊圍巖進行加密處理，整個有限元模型劃分為13 357個網格單元，16 689個節(jié)點。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 約束條件與計算參數

在地下洞室工程模擬計算過程中，最常用的的是Drukle-Plager屈服準則和Mohr-Coulomb屈服準則[6]。其中，Mohr-Coulomb屈服準則可以有效反映圍巖巖體的抗壓強度不同的S-D效應和水壓力敏感性[7]。因此，在此次研究中選擇Mohr-Coulomb準則。結合研究需要，對模型施加位移約束條件[8]。其中，模型的前后和左右施加法向位移約束，對模型的底部施加全位移約束，模型的上表面不施加位移約束，為自由邊界條件。參考工程項目的前期地質勘查資料和相關施工規(guī)范，選取如表1所示的圍巖和支護結構物理力學參數。

表1 模型材料物理力學參數

2.4 計算方案

顯然，研究洞段拱頂到坡面地表的距離越小，對控制圍巖的應力和變形越不利，會影響開挖襯砌施工的安全和順利進行；如果拱頂和坡面的距離過大，勢必會增加引水隧洞的整體埋深，進而大幅拉升開挖工作量和施工成本[9]。因此，在保證施工安全的情況下，盡量減小拱頂和坡面地表的距離就具有重要的工程意義和價值，結合研究洞段的 實 際 情 況，設 計5m、7m、9m、11m、13m、15m、17m、19m等8種不同的拱頂和坡面地表距離，對不同方案下的圍巖應力和位移特征進行計算，根據計算結果確定最佳方案。

3 計算結果與分析

3.1 位移

利用構建的有限元模型，對不同計算方案下的圍巖位移量進行計算，在計算結果中提取出拱頂沉降位移、拱腰收斂位移和底板隆起位移值，并繪制出如圖2所示的位移量隨拱頂和坡面地表距離的變化曲線。由圖可以看出，隨著拱頂和地表距離的增大，拱頂沉降變形量和拱腰收斂變形量呈現(xiàn)出迅速減小并趨于穩(wěn)定的變化特點。具體來看，當拱頂和地表的距離小于11m時，位移量的減小十分迅速，當拱頂和地表的距離大于11m時，位移量的減小幅度較為有限。由此可見，在拱頂和地表的距離大于11m時，再增加拱頂和地表的距離對控制拱頂沉降變形和拱腰收斂變形的作用較為有限。從底板隆起變形來看，隨著拱頂和地表距離的增大，底板隆起變形量基本保持不變，說明拱頂和地表的距離對隧洞底板變形的影響不大。綜上，拱頂和地表的距離對隧洞的拱頂沉降變形和拱腰收斂變形影響較大，拱頂和地表的距離為11m時可以獲得較好的圍巖變形控制效果，同時還有利于控制工程成本。

圖2 圍巖關鍵部位隨拱頂和地表距離變化曲線

3.2 最大主應力

利用構建的有限元模型，對不同計算方案下的圍巖應力進行計算，在計算結果中提取出最大主應力，并繪制出如圖3所示的最大主應力隨拱頂和坡面地表距離的變化曲線。由圖可以看出，圍巖主應力的最大值隨著拱頂和坡面地表距離的增大而迅速減小，最終趨于穩(wěn)定。具體來看，當隧洞拱頂與坡面地表距離小于11m時，圍巖主應力最大值減小較為迅速；當拱頂和地表的距離大于11m時，再增大拱頂和地表的距離對控制圍巖主應力并無十分明顯的作用。由此可見，從主應力控制的視角來看，將隧洞拱頂和坡面地表的距離控制在不小于11m較為合適。此外，從主應力的分布來看，隧洞開挖支護過程中的圍巖最大主應力出現(xiàn)在距離坡面最近的右拱肩部位，在施工過程中需要對該部位予以重點關注。

圖3 圍巖主應力最大值隨拱頂與地表距離變化曲線

3.3 圍巖塑性區(qū)

利用構建的有限元模型，對不同計算方案下的圍巖塑性區(qū)范圍進行模擬計算，獲得不同計算方案下圍巖塑性區(qū)的面積。根據計算結果，繪制出如圖4所示的圍巖塑性區(qū)面積隨拱頂和坡面地表距離的變化曲線。由圖可以看出，圍巖塑性區(qū)面積的變化也呈現(xiàn)出和圍巖位移和應力相似的變化規(guī)律。具體的來看，當拱頂和坡面地表距離為5m時，圍巖塑性區(qū)的面積高達33.52m2，深度較大，圍巖整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易發(fā)生坍塌破壞，會對施工的安全進行造成不利影響。隨著當拱頂和坡面地表距離的增加，圍巖塑性區(qū)的面積迅速減小。當拱頂和坡面地表距離達到11m時，圍巖塑性區(qū)的面積為11.38m2，與拱頂和坡面地表距離為5m時相比減小了約66.05%。當拱頂和坡面地表距離大于11m時，圍巖塑性區(qū)的變化趨于穩(wěn)定，再增加拱頂和坡面的距離，對降低塑性區(qū)面積的作用不明顯。從塑性區(qū)的分布來看，隧洞右拱肩部位的塑性區(qū)面積和深度最大，在施工中要密切關注該區(qū)域的變化，并采取有效的支護措施。

圖4 圍巖塑性區(qū)面積隨拱頂與地表距離變化曲線

4 結論

此次研究以具體工程為背景，探討了引水隧洞和地表距離較小情況下的安全穩(wěn)定性，獲得的主要結論如下：

1）圍巖拱頂豎向位移和拱腰收斂位移、圍巖最大主應力以及圍巖的塑性區(qū)面積隨著拱頂與坡面地表距離的增大呈現(xiàn)出迅速減小并趨于穩(wěn)定的變化特點。

2）結合計算結果，鑒于背景工程在施工過程中保持拱頂和坡面的距離不小于11m。

3）在隧洞施工過程中，右拱肩部位存在比較明顯的應力集中和較大的塑性區(qū)范圍，需要予以重點關注。