回歸應(yīng)力場(chǎng)下的大型地下岔管圍巖穩(wěn)定及襯砌結(jié)構(gòu)分析

何 瓊，劉小兵，曾永忠

（西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039）

0 引言

根據(jù)實(shí)測(cè)點(diǎn)反演研究區(qū)域的初始應(yīng)力場(chǎng)是地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析的首要工作。工程實(shí)踐表明，初始地應(yīng)力不但是影響巖體力學(xué)性質(zhì)的重要控制因素之一，也是在巖體所處環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)引起變形和破壞的重要力源之一。因此，初始地應(yīng)力場(chǎng)的確定歷來(lái)是巖石力學(xué)的一個(gè)重要課題[1－2]。目前，國(guó)內(nèi)外研究初始應(yīng)力場(chǎng)的方法很多，主要有用有限元數(shù)學(xué)模型回歸分析初始應(yīng)力場(chǎng)的方法[3]；適合求解優(yōu)化問(wèn)題的人工智能方法，如遺傳算法[3]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]；在有限元模擬中，也常采用多元線性回歸與逐步回歸相結(jié)合的方法[5]。

在地形和地質(zhì)條件允許的情況下，地下岔管往往采用鋼筋混凝土岔管，以便充分利用圍巖來(lái)承擔(dān)內(nèi)水壓力，從而減薄襯砌厚度，達(dá)到結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理的目的。然而，由于岔管的主支管交叉部位空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致襯砌開裂，尤其在高圍壓、高內(nèi)外水壓力情況下，圍巖及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題突出[6－7]，從而成為地下岔管設(shè)計(jì)及開挖施工技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

本文結(jié)合某水電站地下尾水岔管段區(qū)域地形地質(zhì)條件及岔管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用三維非線性有限元法，利用多元線性回歸與逐步回歸相結(jié)合的方法反演了初始地應(yīng)力場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上研究了開挖后不同工況下襯砌及圍巖的內(nèi)力分布和變形情況，對(duì)岔管襯砌厚度等相關(guān)影響因素進(jìn)行敏感性分析，以驗(yàn)證其是否滿足強(qiáng)度和使用要求[8－9]，為地下岔管的開挖設(shè)計(jì)和加固處理提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

該水電站總裝機(jī)規(guī)模1500 MW，單機(jī)容量250 MW，共6臺(tái)機(jī)組，額定水頭259.00 m。其尾水系統(tǒng)由6條尾水支洞、4個(gè) “Y”形岔管、2條尾水主洞、尾水調(diào)壓室及下水庫(kù)出 （進(jìn)）水口等建筑物組成。尾水岔洞布置區(qū)地表高程為150～180 m，隧洞埋深200～230 m，尾水岔管洞徑從6 m漸變至10 m。該段主要有F10、F11、F21、F25、F27、F28和 F32等NWW或近SN走向的斷層發(fā)育，斷層規(guī)模相對(duì)較大。其中F10、F32斷層破碎寬度大于10 m，且性狀較差，其余斷層破碎帶寬度多為1～3 m，受斷層影響，巖體完整性差，巖體透水性強(qiáng)。圍巖以Ⅳ、Ⅲ2類為主。

2 初始應(yīng)力場(chǎng)回歸分析

2.1 三維有限元計(jì)算模型

尾水岔管段地應(yīng)力回歸和圍巖穩(wěn)定性分析采用同一個(gè)三維有限元模型，主要考慮的結(jié)構(gòu)包括:兩個(gè)尾水岔管 （共4個(gè)）以及1號(hào)巖脈 （F32斷層）、3號(hào)巖脈 （F10斷層）、F27斷層、F46斷層等構(gòu)造結(jié)構(gòu)面。三維有限元模型中，各方向至少考慮3倍的最大開挖跨度。具體計(jì)算范圍為:X向沿尾水主洞縱軸線選取縱向 （包含2個(gè)尾水岔管，以及2個(gè)測(cè)點(diǎn)）長(zhǎng)500 m；Y向垂直尾水主洞縱軸線方向取共320 m；Z向?yàn)殂U直向，底部取至高程-150 m，上部延伸至地表 （最低高程約124.7 m；最大高程約245.0 m）。三維有限元計(jì)算模型及主要洞室局部網(wǎng)格透視參見圖1。

2.2 圍巖力學(xué)參數(shù)及實(shí)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力情況

有限元建模過(guò)程中模擬了尾水岔管段主要巖性分區(qū)以及斷層、裂隙等主要結(jié)構(gòu)面，計(jì)算時(shí)采用設(shè)計(jì)提供的圍巖力學(xué)參數(shù)值見表1。襯砌及噴層采用C30混凝土，其力學(xué)指標(biāo)見表2。

為了查明岔管區(qū)巖體地應(yīng)力的大小、方向及分布規(guī)律，在主廠房附近勘探平硐兩個(gè)鉛直孔內(nèi)進(jìn)行了平面應(yīng)力測(cè)試。測(cè)試成果見表3。

2.3 地應(yīng)力回歸原理及回歸分析

圖1 尾水岔管系統(tǒng)三維有限元模型

表1 尾水岔管段圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

表2 鋼筋混凝土襯砌材料主要特征參數(shù)設(shè)計(jì)值

表3 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試成果

根據(jù)高地應(yīng)力環(huán)境中巖體力學(xué)機(jī)制基本為準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)體的特點(diǎn)，假定廠區(qū)巖體為連續(xù)彈性介質(zhì)，由三維有限元法可分別計(jì)算出自重、u1向 （順河向）和u2向 （橫河向）單位構(gòu)造位移單獨(dú)作用條件下所形成的應(yīng)力場(chǎng)σg、σu1、σu2，由線性疊加原理，岔管區(qū)域內(nèi)任意測(cè)點(diǎn)位置的巖體初始地應(yīng)力σ0（k）為[10]

經(jīng)分析，各測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料具有較好的整體代表性?；貧w分析中選擇主廠房勘探平硐兩個(gè)鉛直孔內(nèi)的 5個(gè)測(cè)點(diǎn) ZK06-1、ZK06-2、ZK07-1、ZK07－2和ZK07－3進(jìn)行反演，在尾水岔管段地應(yīng)力的回歸計(jì)算模型中，5個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)的位置嚴(yán)格建立的節(jié)點(diǎn)上。通過(guò)回歸分析建立了回歸方程

式中，i=1～NN（NN為計(jì)算域內(nèi)高斯點(diǎn)數(shù)與6個(gè)應(yīng)力分量數(shù)的乘積）。

對(duì)各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力和有限元法回歸反演的應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比分析。從回歸應(yīng)力分量與實(shí)測(cè)應(yīng)力分量之間的比值來(lái)看，各應(yīng)力分量的比值均在0.97～1.08之間，表明回歸方案的整體反演效果較好。從尾水岔管段回歸應(yīng)力分量對(duì)比關(guān)系看，呈現(xiàn)σz＞σy＞σx分布特征，鉛直應(yīng)力大于水平向應(yīng)力，平行岔管洞軸線方向的水平應(yīng)力σx大于垂直尾水岔管洞軸線方向應(yīng)力σy，表明回歸應(yīng)力場(chǎng)仍然以自重應(yīng)力場(chǎng)為主，但在水平方向存在一定的構(gòu)造作用。

3 典型工況下尾水岔管段襯砌結(jié)構(gòu)特性的敏感性研究

3.1 典型工況及荷載組合

（1）完建工況。荷載組合為 “襯砌自重+回歸應(yīng)力場(chǎng)30%的開挖釋放荷載+外水壓力與回填灌漿壓力之大值”。計(jì)算中假定支護(hù)前后應(yīng)力釋放比例為7∶3，相當(dāng)于開挖完成后隔一段時(shí)間再進(jìn)行襯砌；襯砌完建期外水壓力取1.1 MPa；回填灌漿壓力取0.4 MPa。

（2）正常運(yùn)行工況?？紤]正常運(yùn)行工況下對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)最不利情況，荷載組合為 “襯砌自重+山體壓力+最大靜水壓力+水擊壓力”。其中，尾水岔管最大靜水壓力為0.92 MPa（對(duì)應(yīng)下庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位），最大水擊壓力為0.2 MPa。

（3）檢修工況。荷載組合為 “襯砌自重+山體壓力+外水壓力”。外水壓力取0.8 MPa（取尾調(diào)最高涌浪水位作為地下水位，按0.75的系數(shù)折減）。

3.2 尾水岔管段襯砌結(jié)構(gòu)特性的敏感性分析

針對(duì)不同的襯砌厚度對(duì)尾水岔管段結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行對(duì)比分析。其中，原方案 （L1）岔管段襯厚為1.2 m，L2方案和L3方案岔管段襯厚分別為1.5 m為1.8 m。對(duì)3種方案在完建、運(yùn)行及檢修工況時(shí)的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行對(duì)比分析。表4和表5分別給出了3種方案岔管段襯砌位移和最大拉應(yīng)力的量值及分布情況。

從表4可以看出，當(dāng)尾水岔管采用不同襯砌厚度時(shí)，岔管段襯砌位移在量值上呈現(xiàn)出隨襯砌厚度的增大而減小的趨勢(shì)。完建工況下岔管段襯砌的位移量最大，在岔檔段局部有2.43 mm。以正常運(yùn)行工況尾水岔管岔襠處為例，襯砌厚度為1.2、1.5 m和1.8 m時(shí)，襯砌向洞外側(cè)最大擴(kuò)張變形值分別為0.66、0.52 mm和0.50 mm。不同的岔管襯砌厚度對(duì)各尾水主支洞襯砌變形的影響較小，甚至可以忽略不計(jì)。

表4 不同襯砌厚度尾水岔管系統(tǒng)各洞段最大變形

表5 不同襯砌厚度尾水岔管系統(tǒng)各洞段最大拉應(yīng)力

從表5可以看出，當(dāng)尾水岔管段采用不同襯砌厚度時(shí)，岔管段襯砌拉壓應(yīng)力在量值上呈現(xiàn)出隨襯砌厚度的增大而減小的趨勢(shì)。運(yùn)行工況下岔管段襯砌的拉應(yīng)力量最大，在岔檔段局部有－5.99 MPa。以正常運(yùn)行工況尾水岔管岔襠處為例，當(dāng)岔管段襯砌厚度為1.2、1.5 m和1.8 m時(shí)，岔襠處襯砌最大拉應(yīng)力分別為－5.99、－5.88 MPa和－5.86 MPa。由于尾水岔管段的岔襠部位空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在明顯的拉壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，不同襯砌厚度時(shí)岔襠處最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于C30混凝土的抗拉強(qiáng)度 （－1.5 MPa）。不同的岔管襯砌厚度對(duì)各尾水主支洞襯砌應(yīng)力的影響較小，甚至可以忽略不計(jì)。正常運(yùn)行工況下，3種襯砌厚度襯砌拉應(yīng)力極值均大于C30混凝土抗拉強(qiáng)度，必須配置相應(yīng)的鋼筋，方可確保襯砌結(jié)構(gòu)安全。

從典型工況下岔管襯砌應(yīng)力及位移分布情況看，運(yùn)行工況是控制工況，應(yīng)該根據(jù)運(yùn)行工況下岔管段的應(yīng)力水平進(jìn)行配筋計(jì)算。

4 結(jié)論

（1）采用多元線性回歸與逐步回歸相結(jié)合的方法，對(duì)實(shí)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行反演，得到的自重、順河向構(gòu)造、橫河向構(gòu)造回歸系數(shù)分別為1.145、0.0107、0.0449，使得回歸值與實(shí)測(cè)值擬合程度較好。應(yīng)力呈σz＞σy＞σx分布，回歸應(yīng)力場(chǎng)仍然以自重應(yīng)力場(chǎng)為主，但在水平方向存在一定的構(gòu)造作用。

（2）地下岔管段開挖后洞室周圍巖體的位移、應(yīng)力分布符合一般規(guī)律，不同工況及不同襯砌厚度對(duì)圍巖穩(wěn)定性有較大的影響。

（3）尾水岔管段分別采用1.2、1.5 m和1.8 m的襯砌厚度時(shí)，岔管段襯砌位移、拉應(yīng)力隨襯砌厚度的增大而減小，且襯砌厚度為1.5 m和1.8 m時(shí)差別很小。完建工況下岔管段襯砌的位移量最大，運(yùn)行工況下岔管段襯砌拉應(yīng)力量最大。襯砌厚度對(duì)各尾水主支洞襯砌變形及應(yīng)力影響較小。

（4）運(yùn)行工況為該工程的控制工況，根據(jù)運(yùn)行工況下岔管段的應(yīng)力進(jìn)行配筋計(jì)算。

（5）由于尾水岔管岔檔部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在拉壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，襯砌應(yīng)力部分超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，建議適當(dāng)加強(qiáng)岔襠部位襯砌的局部配筋。

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