蓄集峽水電站深埋調(diào)壓井施工開挖數(shù)值仿真

鄧 洋，孫新建，賀昌海，謝 雷

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室， 湖北 武漢 430072；2.青海大學(xué) 水利電力學(xué)院， 青海 西寧 810016)

隨著我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的不斷深入，以水電為主的經(jīng)濟、清潔能源的開發(fā)力度逐漸加大，水電工程數(shù)量的增加與規(guī)模的擴大促使水電站地下洞室建設(shè)面臨著更為復(fù)雜的地質(zhì)條件與不利的環(huán)境因素，地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工勢必迎來新的挑戰(zhàn)與更高的要求[1-2]。近年來，以有限元法為主的數(shù)值模擬在地下工程施工建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用與研究，國內(nèi)外眾多學(xué)者利用大型有限元軟件對巖體開挖、噴錨支護及支護時機等進行了數(shù)值模擬，在巖體的變形特征、破壞區(qū)域及形式、噴錨支護時機與效應(yīng)，圍巖破壞準(zhǔn)則的適用性等方面取得了豐碩的研究成果，為錦屏I、II級，拉西瓦、光照及冗各水電站廠房、調(diào)壓井等諸多地下工程的施工建設(shè)與支護設(shè)計提供了科學(xué)的參考依據(jù)[3-15]。綜上所述，采用數(shù)值模擬法對地下洞室群施工期與運營期的穩(wěn)定性分析與安全評價是決定工程建設(shè)設(shè)計方案成敗的關(guān)鍵因素，也是預(yù)測施工突發(fā)事故的重要手段。

蓄集峽水電站調(diào)壓井埋設(shè)深度大，地質(zhì)條件相對復(fù)雜，開挖卸荷效應(yīng)明顯，易引起圍巖松動甚至坍塌，造成工期延后，施工成本增大等不利局面，施工前期研究其圍巖開挖穩(wěn)定性具有十分重要的意義與指導(dǎo)作用。本文利用有限元軟件ABAQUS對調(diào)壓井開挖與支護進行非線性仿真計算，明確施工前期調(diào)壓井的受力分布，找出最大應(yīng)力與變形的位置，預(yù)測巖體可能發(fā)生破壞的情況及具體方位，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和施工加固提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 概述

蓄集峽水利樞紐工程是巴音河干流骨干調(diào)蓄工程，其開發(fā)任務(wù)以城鎮(zhèn)生活和工業(yè)供水為主，兼顧發(fā)電、防洪等綜合利用。引水發(fā)電系統(tǒng)沿左岸布置，引水隧洞總長6 440.54 m，引水流量為20.4 m3/s，采用一洞三機供水形式。調(diào)壓井位于引水發(fā)電洞樁號K5+693處，設(shè)計型式為露天阻抗式，井口地面高程為3 524 m，設(shè)計開挖深度196.13 m。其位于廠房后部高陡山體頂部，整體地勢東南高西北低。引水洞調(diào)壓井平面布置如圖1所示。

圖1引水洞調(diào)壓井平面布置圖

其下伏基巖為灰黃色中厚—薄層狀砂質(zhì)板巖及大理巖夾板巖。地表地質(zhì)調(diào)查未發(fā)現(xiàn)有大規(guī)模斷層發(fā)育及貫通性裂隙通過?；鶐r以下30 m 范圍內(nèi)巖體卸荷作用較強，裂隙較發(fā)育。以此為基礎(chǔ)對調(diào)壓井圍巖進行分類：上部30 m圍巖類別主要為Ⅳ類，其余井段位于弱風(fēng)化—微風(fēng)化的巖體內(nèi)，圍巖類別以Ⅲ類為主，局部為Ⅳ類。

1.2 施工方案

調(diào)壓井井筒高度166.0 m，開挖直徑7.5 m，井筒與隧洞之間設(shè)連接管，連接管高度30.13 m，開挖直徑3.30 m。調(diào)壓井圍巖噴錨支護如表1所示。調(diào)壓井圍巖級別主要為III類、IV類圍巖，依據(jù)規(guī)范[3]及參考相似地下工程，在天然地應(yīng)力基礎(chǔ)上擬對調(diào)壓井進行分級全斷面開挖，分級開挖中先利用反井鉆機開挖導(dǎo)洞，再自上而下利用手風(fēng)鉆擴挖成型，采用錨噴支護及時跟進，待上一層開挖支護完成后，進行下一層開挖施工，實際開挖深度共計194.88 m，每層開挖高度在6 m～12 m之間，開挖共分18級(見圖2)。

表1 支護措施及材料

圖2調(diào)壓井分期開挖示意圖

2 計算模型與參數(shù)選擇

2.1 材料本構(gòu)及參數(shù)

ABAQUS擁有非常豐富的巖土材料本構(gòu)模型，試驗和工程實踐證實，其中Mohr-Coulomb模型能夠很好地描述土壤、巖石等材料的破壞行為，在巖土工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。根據(jù)調(diào)壓井支護結(jié)構(gòu)的變形特征，本文假定施工期間支護結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出線彈性變形，考慮錨桿的加固效應(yīng)及提高圍巖抗剪強度作用，采用楊典森[5]與Dulacska公式[6]分別計算圍巖等效黏聚力增值，結(jié)果表明前者更符合實際工程情況(見表2)。調(diào)壓井周圍巖體可看作是理想彈塑性材料，材料的屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則并選用非相關(guān)聯(lián)的流動法則。根據(jù)地下洞室圍巖建議參數(shù)取值范圍，選取了較為合理的洞徑，共60 m；Y軸正方向為高程遞增方向，共221.88 m。除山體上部崎嶇表面為自由面，不施加任何約束，其余垂直于坐標(biāo)軸的平面，均施加法向約束。

表2 黏聚力增值百分比

2.2 計算模型與施工模擬

基于調(diào)壓井工程地質(zhì)條件，根據(jù)地形等高線及調(diào)壓井輪廓，并考慮分級開挖程序，充分模擬調(diào)壓井所處位置的地形地貌，建立了調(diào)壓井三維有限元網(wǎng)格模型，地層共分2層，巖體自上而下逐漸變好，整體模型共剖分39 838個單元，28 162個節(jié)點(見圖3)。為提高計算精度，整體圍巖以8節(jié)點6面體單元C3D8I為主，見圖3(a)；混凝土噴層采用支持線性、有限薄膜應(yīng)變的4節(jié)點殼單元S4R進行模擬，見圖3(b)；系統(tǒng)錨桿作用則利用等效參數(shù)法提高圍巖黏聚力來體現(xiàn)，見圖3(c)。由于開挖巖層無明顯構(gòu)造運動跡象，有限元模型中僅考慮自重應(yīng)力場。要實現(xiàn)施工過程的精細模擬，首先需平衡地應(yīng)力，消除初始位移的干擾，再通過“生死單元”技術(shù)[7]不斷地殺死巖體單元、激活支護單元及更改錨桿區(qū)圍巖參數(shù)，最后設(shè)置計算分析步，使開挖所釋放的荷載由圍巖和噴錨支護共同承擔(dān)。

巖體力學(xué)參數(shù)，材料類型及基本物理力學(xué)參數(shù)見表3。

圖3 有限元計算網(wǎng)格模型

2.3 計算范圍與邊界條件

為了盡可能減少乃至消除調(diào)壓井開挖卸荷影響的邊界條件效應(yīng)，最大限度地涵蓋調(diào)壓井開挖過程影響的巖體，幾何模型尺寸以全局坐標(biāo)系原點為中心點：X的正方向為上游公路側(cè)(N30°E)，負方向為下游截水溝側(cè)(S30°W)，沿X軸從上游公路側(cè)至下游截水溝側(cè)共取8倍洞徑長度，共60 m；Z的正方向為排水溝側(cè)(S60°E)，負方向為緩坡側(cè)(N60°W)，沿Z軸從排水溝側(cè)至緩坡側(cè)亦取8倍。

2.4 典型剖面及關(guān)鍵點

為探究施工階段圍巖應(yīng)力分布、變形規(guī)律及塑性區(qū)，以坐標(biāo)原點為中心，取典型剖面I(X=0 m)，該剖面右側(cè)毗鄰排水溝，左側(cè)緊靠緩坡(見圖4(a))；同理，取另一典型剖面II(Z=0 m)，該剖面左側(cè)靠近公路，右側(cè)緊挨下游截水溝(見圖4(b))。

在各典型剖面緊挨圍巖開挖面的7個高程段選取若干關(guān)鍵點用于分析施工過程中圍巖應(yīng)力變形的演化規(guī)律。

圖4調(diào)壓井典型剖面

3 洞室圍巖穩(wěn)定性分析

3.1 初始地應(yīng)力特征

初始地應(yīng)力如圖5所示，從巖體的主應(yīng)力來看，除調(diào)壓井頂部山巖處存在較小拉應(yīng)力外，整個巖體基本處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力隨著深度增加而按一定梯度增大，分布趨于平穩(wěn)。因調(diào)壓井設(shè)計布置位置的應(yīng)力相對比較均勻，所以對調(diào)壓井的開挖受力和穩(wěn)定性比較有利，但由于山體形狀和原巖應(yīng)力的綜合作用，使得局部存在偏壓，對調(diào)壓井開挖段穩(wěn)定性有一定不利的影響。

圖5初始地應(yīng)力分布圖(單位：MPa)

3.2 圍巖應(yīng)力特征

施工階段小主應(yīng)力分布如圖6所示。開挖卸荷后，周邊圍巖的側(cè)壓力被卸除，應(yīng)力發(fā)生重分布，使得靠近掌子面中心圍巖壓應(yīng)力減小，靠近開挖掌子面邊緣圍巖壓應(yīng)力增大。如圖6(a)所示，開挖后期，圍巖受開挖擾動的影響較大，壓應(yīng)力最大值主要集中在開挖掌子面邊緣圍巖。由圖6(b)及圖7圍巖主應(yīng)力變化曲線可知，開挖結(jié)束后，靠近井筒底部附近圍巖發(fā)生應(yīng)力突變與集中，大小主應(yīng)力最大差值約6.0 MPa，表明該段圍巖容易發(fā)生塑性變形或破壞，應(yīng)加強支護以保證圍巖穩(wěn)定性。

圖6 典型施工段小主應(yīng)力分布圖(單位：MPa)

圖7開挖結(jié)束圍巖主應(yīng)力變化曲線

3.3 圍巖變形特征

由圖8可知，開挖過程中，掌子面部位臨空高度最大，圍巖開挖卸荷效應(yīng)明顯，開挖后最大位移主要發(fā)生在掌子面附近圍巖。隨開挖深度加大，上覆巖體厚度增加，巖體開挖釋放荷載增大，水平位移隨之增大。如圖8(a)所示，因上下層圍巖物理力學(xué)性質(zhì)的差異，使得上層圍巖變形受后開挖階段影響較大，施工過程中易引起覆蓋層風(fēng)化圍巖的坍塌等事故的發(fā)生，故需給予高度重視，加強該部位的支護。

由圖8(b)及圖9可知，整體施工結(jié)束后，調(diào)壓井圍巖變形呈M狀，因開挖直徑較小，最大位移值約為0.56 mm，主要分布在覆蓋層風(fēng)化圍巖和靠近井筒底端巖體附近。巖體開挖卸荷后，掌子面中心巖體卸壓回彈，豎向變形增大，最大值約為1.95 mm，主要分布在井筒底部與連接管頂部交界處。因篇幅有限，巖體豎向變形圖未能給出。

3.4 圍巖塑性區(qū)分析

在無支護措施情況下，典型剖面塑性破壞區(qū)分布如圖10所示。調(diào)壓井開挖后期，在高程為3 370 m～3 390 m的巖體附近出現(xiàn)環(huán)狀塑性松動圈，塑性破壞深度在1.2 m范圍以內(nèi)，局部圍巖穩(wěn)定性較差，在開挖級數(shù)為13～14的施工段圍巖極有可能產(chǎn)生破裂。

圖8 典型施工階段水平位移分布圖(單位：mm)

圖9 開挖結(jié)束圍巖變形曲線

圖10典型剖面塑性破壞區(qū)分布圖

上述結(jié)果表明，圍巖的最大變形主要分布在上層風(fēng)化段圍巖和靠近井筒底端巖體附近，圍巖變形呈M狀。在井筒底部與連接管頂部洞口處應(yīng)力集中十分明顯，靠近井筒深處局部圍巖產(chǎn)生塑性松動圈，開挖過程中圍巖穩(wěn)定性相對較差。因此，為限制圍巖變形，緩解圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免圍巖發(fā)生局部破壞甚至坍塌，對開挖后圍巖施加噴錨支護顯得尤為關(guān)鍵。

3.5 支護效果分析

較無支護措施而言，圍巖經(jīng)噴錨支護后，支護承擔(dān)部分開挖釋放荷載，使開挖掌子面邊緣圍巖壓應(yīng)力降低。由圖11可知，開挖結(jié)束后，大應(yīng)力分布區(qū)減少，連接管圍巖壓應(yīng)力值減小約2.2 MPa，井筒底部及連接管底部附近圍巖應(yīng)力集中得到明顯改善。

圖11開挖完成后小主應(yīng)力分布圖(單位：MPa)

調(diào)壓井圍巖關(guān)鍵點變化趨勢如圖12所示，在噴錨支護下，處于開挖狀態(tài)的圍巖變形量明顯小于未支護時，支護后的圍巖受后期施工影響小。開挖結(jié)束后，上層風(fēng)化段圍巖與靠近井筒底部的圍巖變形明顯減小，圍巖最大水平位移為0.39 mm，相對于無支護時減小了0.17 mm。由于圍巖變形量比較小，支護措施對抑制變形的效果也比較有限，但在一定程度上仍可以減小圍巖的變形，支護有利于調(diào)壓井施工過程的圍巖穩(wěn)定性和施工安全。

圖12施工期圍巖變形變化趨勢

如圖13所示，施加支護后的圍巖塑性區(qū)基本消失，支護措施對圍巖的塑形破壞有很好的限制作用。

圖13支護前后塑性區(qū)分布圖

4 結(jié) 論

蓄集峽水電站調(diào)壓井在開挖過程中，圍巖水平位移呈較好的對稱分布，均向井壁內(nèi)發(fā)生變形，施工方案對周圍巖體擾動較小，沒有出現(xiàn)大位移情況。在噴錨支護下，圍巖受后期開挖影響小，支護段圍巖穩(wěn)定性較好，開挖后的掌子面邊緣圍巖應(yīng)力集中得到改善。

整體施工結(jié)束后，在高程為3 370 m～3 390 m的巖體附近出現(xiàn)環(huán)狀塑性破壞區(qū)，支護后井壁圍巖塑形區(qū)基本消失。在此開挖階段，巖體極有可能因噴錨支護不及時發(fā)生剪切破壞，引起圍巖松動甚至坍塌。因此，在實際施工過程中，要把握噴錨支護的時機，使支護與圍巖形成統(tǒng)一整體，共同承擔(dān)圍巖變形產(chǎn)生的應(yīng)力。

綜上，按推薦的施工步驟進行施工，分級全斷面開挖、噴錨聯(lián)合支護，在整個施工期間，調(diào)壓井圍巖是穩(wěn)定的。同時，該方案也可為類似工程的施工方案優(yōu)化及結(jié)構(gòu)加固提供參考。

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