應(yīng)力釋放率對(duì)弧形門豎井閘室初期支護(hù)的影響研究

孔科，湯雷，郭長江

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072)

應(yīng)力釋放率對(duì)弧形門豎井閘室初期支護(hù)的影響研究

孔科，湯雷，郭長江

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072)

長河壩水電站中期導(dǎo)流洞弧形門豎井閘室地質(zhì)條件復(fù)雜，分層開挖過程中圍巖的應(yīng)力釋放率直接影響初期支護(hù)和后期支護(hù)的參數(shù)。本文基于ABAQUS有限元軟件，建立了中期導(dǎo)流洞弧形門豎井閘室的三維有限元模型，采用摩爾－庫倫(Mohr－coulomb)屈服準(zhǔn)則、非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，對(duì)閘室豎井的開挖與支護(hù)進(jìn)行了全過程模擬，研究了圍巖開挖后的應(yīng)力釋放率對(duì)初期支護(hù)的影響。

豎井閘室 應(yīng)力釋放率 非線性 非關(guān)聯(lián)流動(dòng) 有限元 應(yīng)力與變形 長河壩水電站

1 工程背景

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，為大渡河干流水電梯級(jí)開發(fā)的第10級(jí)電站，上接猴子巖水電站，下接黃金坪水電站。工程壩址上距丹巴縣城85km，下距滬定縣城50km，距成都約360km。庫壩區(qū)有省道S211公路相通，并在瓦斯河口與國道318線相接，交通較方便。長河壩水電站開發(fā)任務(wù)以單一發(fā)電為主，無航運(yùn)、漂木、防洪、灌溉等綜合利用要求。壩址處控制流域面積56648km2，占全流域面積的73.2%，多年平均流量843m3/s。

電站樞紐建筑物主要由礫石土心墻堆石壩、地下引水發(fā)電系統(tǒng)、2條開敞式泄洪洞、1條深孔泄洪洞和1條放空洞等組成。河床壩基覆蓋層最大厚度53m，攔河大壩最大壩高240m，電站總裝機(jī)容量2600MW，正常蓄水位1690m，正常蓄水位以下庫容10.15億m3，水庫總庫容10.75億m3，具有季調(diào)節(jié)能力。

中期導(dǎo)流洞由進(jìn)水塔、有壓洞段、弧形閘門工作室、無壓洞段和出口挑流坎段組成。有壓洞段后接弧形門豎井閘室，最大跨度20m左右，高度42m左右。閘門室內(nèi)設(shè)置弧形工作閘門，孔口尺寸為7.0m×8.5m(寬×高)?；⌒伍l門啟閉設(shè)備安裝高程1570.50m，設(shè)置閘室交通洞相連。交通洞斷面均為5.2m×5.6m(寬×高)的城門洞型?；⌒伍l門室后接無壓洞段。

本文基于ABAQUS大型有限元軟件，建立了中期導(dǎo)流洞弧形門豎井閘室的三維有限元模型，采用摩爾－庫倫(Mohr－coulomb)屈服準(zhǔn)則、非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，對(duì)閘室豎井的開挖與支護(hù)進(jìn)行全過程模擬，研究圍巖開挖后的應(yīng)力釋放率對(duì)初期支護(hù)的影響。

2 計(jì)算原理

2.1 本構(gòu)模型

Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則反映了巖土材料在屈服時(shí)與球應(yīng)力和偏應(yīng)力相關(guān)的特性，在巖土工程界廣泛應(yīng)用。

設(shè)σ1≥σ2≥σ3，那么Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則以主應(yīng)力的形式表示為:

以應(yīng)力不變量的形式可表示為:

其中，c為粘聚力；?為內(nèi)摩擦角；I1為應(yīng)力張量第一不變量；J2為偏應(yīng)力張量第二不變量；θσ為應(yīng)力Lode角。

2.2 計(jì)算方法及模擬過程

在有限元計(jì)算中，洞室開挖時(shí)圍巖的應(yīng)力屬于完全釋放，在不考慮圍巖蠕變的情況下，洞室開挖結(jié)束時(shí)的變形為洞室最大變形。如果此時(shí)就澆筑噴混凝土及襯砌混凝土，那么混凝土澆筑完成時(shí)的形狀就是洞室變形結(jié)束的形狀，該部分變形被強(qiáng)迫附加于襯砌上，襯砌上的結(jié)構(gòu)應(yīng)力就比實(shí)際大很多。本文計(jì)算中，襯砌澆筑前圍巖的應(yīng)力釋放率分別按100%和60%考慮，豎井閘室內(nèi)圍巖開挖臨時(shí)支護(hù)中的錨桿按1.0m、2.0m間距分別進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算中模擬了初應(yīng)力場模擬、閘室豎井段洞室開挖與圍巖應(yīng)力釋放及錨桿施工等過程，具體施工模擬過程見表1。

表1 施工模擬過程

2.3 計(jì)算荷載及材料參數(shù)

中期導(dǎo)流洞豎井閘室段的圍巖類別，從下向上分別為Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，其物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算中選取的材料參數(shù)

中期導(dǎo)流洞弧形門豎井閘室段，主要計(jì)算荷載包括圍巖自重和錨桿自重等，不考慮地下水的滲透水壓力。

2.4 支護(hù)設(shè)計(jì)

豎井閘室弧形閘門前的有壓洞段為7m× 9.5m(寬×高)的城門洞型。由于該段處于Ⅲ類圍巖中，邊墻與頂拱采用10cm厚的C25噴混凝土結(jié)合錨桿(C25，L＝4.5m；C28，L＝6.0m，間排距2.0m，梅花形布置)進(jìn)行淺層支護(hù)。

豎井閘室弧形閘門后的無壓洞段為7m× 12.0m(寬×高)的城門洞型。由于該段圍巖類別為Ⅲ類，邊墻與頂拱采用10cm厚的C25噴混凝土結(jié)合錨桿(C25，L＝4.5m，間排距2.0m，梅花形布置)進(jìn)行淺層支護(hù)。

豎井閘室位于樁號(hào) 0＋315.00m ～0＋345.00m，參照閘室前段導(dǎo)流洞對(duì)錨桿布置加密，邊墻與頂拱初擬采用10cm厚的C25噴混凝土結(jié)合錨桿(C25，L＝4.5m；C28，L＝6.0m，間排距1.0m，梅花形布置)進(jìn)行淺層支護(hù)。

豎井閘室左側(cè)高程1570.50m布置有交通洞，圍巖類別為Ⅲ類，斷面尺寸6m×6.3m(寬×高)，邊墻與頂拱采用厚10cm的C25噴混凝土結(jié)合錨桿(C25，L＝3.0m，間排距2.0m，梅花形布置)進(jìn)行淺層支護(hù)。

3 有限元計(jì)算模型

依據(jù)弧形門閘室實(shí)際的地質(zhì)條件，建立了三維有限元模型。中期導(dǎo)流洞順?biāo)魉较驗(yàn)閄軸正向，豎直向上為Y軸正方向。中期導(dǎo)流洞豎井閘室段、交通支洞襯砌與支護(hù)見圖1～圖3。

模型在X方向的樁號(hào)范圍為0＋295.000m～0＋365.000m(其中:0＋315.000m～0＋345.000m為弧形門豎井閘室；0＋295.000m～0＋315.000m為上游漸變段；0＋315.000m～0＋345.000m為下游漸變段)；Y方向范圍為高程 1500.00m～1864.64m；Z方向計(jì)算范圍長度為80.0m。共劃分單元116647，節(jié)點(diǎn)109581。有限元模型見圖4。

圖1 豎井閘室結(jié)構(gòu)剖面

圖2 豎井閘室交通洞典型斷面支護(hù)

圖3 閘門豎井段導(dǎo)流洞初期支護(hù)(頂拱布置相同)

圖4 有限元計(jì)算模型

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 位移結(jié)果

圖5～圖7給出了在豎井閘室開挖結(jié)束的狀態(tài)下不同的應(yīng)力釋放率時(shí)，閘室周邊圍巖的位移結(jié)果。

圖5 閘室開挖結(jié)束圍巖順?biāo)飨蛭灰?/p>

圖6 閘室開挖結(jié)束圍巖垂直位移

圖7 閘室開挖結(jié)束圍巖垂直水流向位移

應(yīng)力釋放率為60%時(shí)，順?biāo)飨蜃畲笏轿灰茷?.915mm；垂直向最大位移為6.893mm，產(chǎn)生于導(dǎo)流洞與豎井閘室相連處的兩面臨空開挖斷面處；垂直水流向水平位移最大約3.5mm，產(chǎn)生于閘室中下位置。

應(yīng)力釋放率為100%時(shí)，順?biāo)飨蜃畲笏轿灰茷?.228mm；垂直向最大位移為12.15mm，產(chǎn)生于導(dǎo)流洞與豎井閘室相連處的兩面臨空開挖斷面處；垂直水流向水平位移最大約6.52mm，產(chǎn)生于閘室中下位置。

4.2 圍巖塑性區(qū)

圖8，圖9給出了在豎井閘室開挖結(jié)束的狀態(tài)下不同的應(yīng)力釋放率時(shí)，閘室周邊圍巖塑性區(qū)結(jié)果。

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果可知，在豎井閘室開挖結(jié)束的狀態(tài)下，圍巖的塑性區(qū)主要分布在交通支洞與豎井閘室交界處、豎井閘室與導(dǎo)流洞相連的漸變段周圍，塑性區(qū)深度較淺，對(duì)圍巖穩(wěn)定性有利。應(yīng)力釋放率越大，圍巖的塑性區(qū)越大，即淺層支護(hù)施工的時(shí)間對(duì)洞周圍巖的松動(dòng)圈有一定的影響，淺層支護(hù)應(yīng)及時(shí)實(shí)施。

圖8 閘室開挖結(jié)束圍巖塑性區(qū)分布(縱剖面)

圖9 閘室開挖結(jié)束圍巖塑性區(qū)分布(橫剖面)

4.3 錨桿應(yīng)力

圖10～圖15給出了在開挖各階段不同的應(yīng)力釋放率下的錨桿應(yīng)力。

表3 開挖各階段錨桿應(yīng)力峰值(單位:MPa)

圖10 交通支洞開挖結(jié)束

圖11 豎井閘室第一層開挖

圖12 豎井閘室第二層開挖

圖13 豎井閘室第三層開挖

圖14 豎井閘室第四層開挖

圖15 豎井閘室第五層開挖

應(yīng)力釋放率為60%時(shí)，交通支洞中的錨桿最大應(yīng)力為59.04MPa，閘室豎井頂拱處在閘室開挖中錨桿的最大應(yīng)力為81.90MPa，中期導(dǎo)流洞與閘室豎井之間的漸變段頂拱中錨桿應(yīng)力最大達(dá)251.3MPa。

應(yīng)力釋放率為100%時(shí)，交通支洞中錨桿的最大應(yīng)力為98.93MPa，豎井閘室頂拱處在閘室開挖中錨桿的最大應(yīng)力為120.05MPa，中期導(dǎo)流洞與閘室豎井之間的漸變段頂拱中錨桿應(yīng)力最大達(dá)401.0MPa。

5 結(jié)論

根據(jù)對(duì)不同應(yīng)力釋放率下中期導(dǎo)流洞弧形門豎井閘室圍巖變形、塑性區(qū)分布及系統(tǒng)錨桿的應(yīng)力等方面的研究，可得出如下結(jié)論:

(1)豎井閘室圍巖最大位移產(chǎn)生于導(dǎo)流洞與豎井閘室相連處的兩面臨空開挖斷面處，但位移值均較小。應(yīng)力釋放率對(duì)圍巖的變形影響較大；

(2)應(yīng)力釋放率越大，圍巖的塑性區(qū)越大，即淺層支護(hù)施工的時(shí)間對(duì)洞周圍巖的松動(dòng)圈有一定的影響，淺層支護(hù)應(yīng)及時(shí)實(shí)施；

(3)應(yīng)力釋放率越大，系統(tǒng)錨桿所承擔(dān)的力亦越大。交通支洞與豎井閘室在開挖過程中噴錨臨時(shí)支護(hù)能很好地滿足需求，但豎井閘室上游側(cè)漸變段附近淺層支護(hù)需加強(qiáng)。

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TV662∶TV554.12∶O241.82

A

2095－1809(2016)05－0059－06

孔科(1984－)，男，博士，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及巖土工程數(shù)值仿真研究。