輸水隧洞大變形處置時(shí)機(jī)研究與工程應(yīng)用

(遼寧西北發(fā)電有限責(zé)任公司清湖電廠，遼寧 開(kāi)原 112300)

1 工程背景

大風(fēng)口水庫(kù)位于遼寧省綏中縣前衛(wèi)鎮(zhèn)境內(nèi)的石河上游，集雨面積251km2，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5000年一遇，水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水位為113.66m，校核洪水位為119.48m。大風(fēng)口水庫(kù)的主要建筑有大壩、溢洪道、輸水隧洞[1]，最大庫(kù)容1.5億m3，該水庫(kù)是一座兼具防洪、供水、灌溉、旅游等多種功能的大(2)型水利樞紐工程[2]。

為滿(mǎn)足綏中火電廠的用水需求，需要新建一條輸水隧洞。新建的輸水隧洞位于水庫(kù)大壩的右壩端，在水庫(kù)原輸水隧洞的右側(cè)。輸水隧洞由進(jìn)口明渠、豎井、洞身段、明管段以及出口壓力箱組成，全長(zhǎng)255m。輸水隧洞施工范圍內(nèi)的巖層為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化以及中風(fēng)化砂質(zhì)板巖，圍巖強(qiáng)度低，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，差異風(fēng)化嚴(yán)重，自穩(wěn)性較差。由于巖體強(qiáng)度低，風(fēng)化程度高，圍巖破碎現(xiàn)象比較嚴(yán)重，同時(shí)，由于對(duì)圍巖的強(qiáng)度估計(jì)不足，造成前期支護(hù)的強(qiáng)度難以滿(mǎn)足圍巖應(yīng)力作用，因而在施工開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生大變形，為了保證變形不再加劇，項(xiàng)目部聽(tīng)取相關(guān)專(zhuān)家的意見(jiàn)，擬采取注漿錨桿以及臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)支撐等工程技術(shù)措施。

2 大變形處置時(shí)機(jī)研究

2.1 數(shù)值模型的構(gòu)建

離散單元法(DEM)的基本假設(shè)是巖體被節(jié)理裂隙切割成大小不等的巖塊，這些巖塊通過(guò)鑲嵌的方式排列在一起，并處于平衡狀態(tài)，當(dāng)計(jì)算塊體受到外部荷載的作用時(shí)，不僅自身會(huì)產(chǎn)生位移和應(yīng)力變化，各個(gè)塊體之間的位置和作用力也會(huì)隨之改變[3]。該方法主要是基于上述變化對(duì)巖體沿著節(jié)理或斷層發(fā)生的滑移或旋轉(zhuǎn)進(jìn)行模擬，進(jìn)而分析巖體工程破壞過(guò)程。3DEC是基于離散單元法進(jìn)行非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模擬計(jì)算的巖土工程軟件，主要適用于節(jié)理巖體和砌體結(jié)構(gòu)等存在不連續(xù)面的變形與破壞機(jī)理研究，在處理這類(lèi)巖體在外部荷載作用下的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[4]。

本次研究中利用有限差分軟件FLAC3D建立輸水隧洞的全局模型，以便對(duì)地表的地形地貌進(jìn)行較好模擬[5]。在產(chǎn)生大變形的部位則利用3DEC構(gòu)建局部模型，以便對(duì)局部大變形部位的節(jié)理變形特征進(jìn)行深入研究，并以研究結(jié)果為指導(dǎo)，確定最合適的工程技術(shù)處置措施以及最佳的更換時(shí)機(jī)。結(jié)合相關(guān)工程的研究經(jīng)驗(yàn)，輸水隧洞的全局尺寸為740m×560m。由于該段工程為南北走向，將正西方向設(shè)置為模型的X軸正方向，將正南方向設(shè)置為Y軸的正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸的正方向?；趪鷰r變形的實(shí)際特征，除模型上界為實(shí)際地表以外，其余各個(gè)方向均設(shè)定為固定邊界條件[6]。為了準(zhǔn)確地研究局部大變形部位的應(yīng)力和位移等變形特征，以便獲得最佳的處置時(shí)機(jī)，按照大變形的具體部位，利用3DEC軟件對(duì)0+250～0+290段構(gòu)建局部模型，邊界條件與整體模型一致。

2.2 數(shù)值模擬過(guò)程

研究過(guò)程中，為了獲取大變形的實(shí)際參數(shù)，首先按照原始工程方案中的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果顯示在2000步計(jì)算之后，輸水隧洞圍巖發(fā)生大變形，特別是拱頂圍巖的沉降變形最為劇烈，達(dá)到了85mm。如不采取有效措施，變形必將快速發(fā)展，最終導(dǎo)致輸水隧洞施工段塌方，因此，在模擬計(jì)算中將支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，在施加臨時(shí)支撐鋼架結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)后，繼續(xù)進(jìn)行模擬計(jì)算，直至模型趨于平衡，也就是圍巖不再產(chǎn)生位移變形為止。此時(shí)，輸水隧洞的拱頂沉降總量為271mm。因此，本文研究中將該值作為輸水隧洞最大變形值。在常規(guī)施工方式下，一般是拱頂?shù)某两盗窟_(dá)到最大時(shí)進(jìn)行處置，對(duì)該工程而言，則是達(dá)到271mm時(shí)進(jìn)行大變形初支更換[7]?；诒敬窝芯康闹饕康模M計(jì)算中將處置時(shí)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)提前，以進(jìn)行對(duì)比分析，獲得最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。因此，設(shè)定當(dāng)輸水隧洞拱頂沉降量分別達(dá)到最終位移量的100%、95%、90%、85%、80%、75%和70%時(shí)進(jìn)行初支更換，共得到工況1～工況7共7種不同的計(jì)算工況。具體模擬計(jì)算的過(guò)程是：對(duì)每一種計(jì)算工況，當(dāng)輸水隧洞拱頂?shù)某两盗窟_(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，即刪除長(zhǎng)度為65.0m的支護(hù)塊體單元，并在沒(méi)有任何支護(hù)的條件下進(jìn)行500步計(jì)算，使模型計(jì)算本身盡量契合拱架拆除后的無(wú)支護(hù)狀態(tài)。然后將模型參數(shù)更換為強(qiáng)化支護(hù)后的參數(shù)并繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，直至圍巖不再發(fā)生變形。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

利用構(gòu)建的模型，對(duì)大變形在不同變形時(shí)機(jī)處治后，重新達(dá)到穩(wěn)定后塌方斷面的主應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可知，在工況7條件下，輸水隧洞圍巖部位會(huì)產(chǎn)生范圍較大的應(yīng)力集中區(qū)域，特別是左側(cè)拱腰和拱腳部位的應(yīng)力集中情況最為明顯，應(yīng)力值在4.60MPa以上；工況6和工況5相對(duì)于工況7，圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象有所改善，應(yīng)力集中區(qū)域有所減小，但是最大應(yīng)力值有所增加，達(dá)到5.22MPa；工況4和工況3相對(duì)于工況5，無(wú)論是最大應(yīng)力值還是應(yīng)力集中區(qū)域的范圍都有所減小，在工況3條件下，圍巖的最大應(yīng)力值減小到4.99MPa；在工況1條件下，應(yīng)力的集中區(qū)域又進(jìn)一步減小，但是最大應(yīng)力值相對(duì)于工況3呈現(xiàn)出小幅上升。由此可見(jiàn)，結(jié)合應(yīng)力集中區(qū)域和最終應(yīng)力值兩項(xiàng)指標(biāo)，工況3為最佳處置工況，也就是當(dāng)圍巖拱頂沉降量為最終變形量的90%時(shí)進(jìn)行處置最佳。

圖1 處置時(shí)的位移占最終位移的百分比

由于3DEC模型屬于離散單元模型，且每個(gè)節(jié)理的面積均有所不同，這就造成僅對(duì)節(jié)理破壞的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果缺乏說(shuō)服力[8]，因此，本次研究中基于模型模擬計(jì)算的結(jié)果，對(duì)發(fā)生破壞性變形的節(jié)理面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1中的結(jié)果可知，在工況3條件下，也就是輸水隧洞圍巖拱頂?shù)某两底冃螢樽罱K位移值的90%時(shí)實(shí)施初支更換，失穩(wěn)節(jié)理的面積最小。綜合上述，推薦變形達(dá)到最終位移值的90%時(shí)進(jìn)行大變形初支更換，以達(dá)到最佳支護(hù)效果。

3 工程應(yīng)用及效果分析

3.1 工程應(yīng)用

為了驗(yàn)證上述結(jié)論在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果和價(jià)值，將其用于遼寧省大風(fēng)口水庫(kù)新建輸水隧洞工程。該工程由于出口段不良地質(zhì)因素的影響，在后續(xù)施工中仍舊出現(xiàn)多段圍巖大變形現(xiàn)象。為了檢測(cè)圍巖變形數(shù)據(jù)，在工程施工過(guò)程中每隔10m均設(shè)置有圍巖變形參數(shù)的監(jiān)測(cè)斷面，以便對(duì)圍巖初期支護(hù)后的周邊收斂變形以及拱頂?shù)某两底冃芜M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。各斷面具體布置見(jiàn)圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置

在施工過(guò)程中，樁號(hào)0+563～0+571和0+621～0+630段均出現(xiàn)了圍巖大變形，兩段的長(zhǎng)度相當(dāng)，分別為8m和9m，且輸水隧洞的埋深、地表分布以及應(yīng)力環(huán)境相似。因此，對(duì)前一段按照傳統(tǒng)方法處置，也就是拱頂?shù)某两盗窟_(dá)到最大時(shí)進(jìn)行處置，對(duì)后一段則按照本文的結(jié)論，當(dāng)拱頂變形達(dá)到預(yù)期最終位移的90%即更換初支。

3.2 圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

上述兩個(gè)輸水隧洞圍巖大變形段開(kāi)挖后以及初支更換過(guò)程中，整理了相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4，圖中Ut為圍巖穩(wěn)定情況下的拱頂最終沉降量，拉應(yīng)力為負(fù)值，壓應(yīng)力為正值)。由圖3可知，在對(duì)輸水隧洞圍巖大變形段采取臨時(shí)鋼支撐措施后，圍巖拱頂?shù)某两底冃嗡俣让黠@降低，沉降值從最終沉降量的90%達(dá)到100%歷時(shí)18天。從最終的變形來(lái)看，在達(dá)到圍巖拱頂最終沉降量的90%時(shí)進(jìn)行處治與傳統(tǒng)處置方法的沉降量基本相同，但是輸水隧洞圍巖的周邊收斂值有一定減小，說(shuō)明采取本文的處置方案，不僅不會(huì)對(duì)輸水隧洞圍巖的穩(wěn)定性造成負(fù)面影響，還可以在一定程度上減輕圍巖變形。而從處治完成時(shí)間上看，采用本文結(jié)論的處置時(shí)機(jī)，也就是在拱頂沉降量達(dá)到最終沉降量的90%時(shí)進(jìn)行處置，僅需要37天時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)圍巖變形的完全釋放，比傳統(tǒng)方法提前23天，這對(duì)于縮短施工工期具有重要價(jià)值。

圖3 隧洞拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4 隧洞周邊收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文以遼寧省安大風(fēng)口水庫(kù)新建輸水隧洞為對(duì)象，進(jìn)行了大變形處置時(shí)機(jī)方面的研究，利用FLAC3D和 3DEC相結(jié)合的方法，構(gòu)建起輸水隧洞的全局和大變形部位局部模型，利用數(shù)值模擬研究的方法對(duì)處治時(shí)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化。認(rèn)為拱頂沉降量達(dá)到最終沉降量的90%時(shí)為最佳處置時(shí)機(jī)

通過(guò)大風(fēng)口水庫(kù)新建輸水隧洞的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，采用理論研究獲得的最佳處置時(shí)機(jī)，不僅不會(huì)對(duì)輸水隧洞圍巖的穩(wěn)定性造成負(fù)面影響，還可以在一定程度上減輕圍巖變形，大幅縮短工期，有利于安全快速地完成隧道大變形處治。