清河水庫第二泄洪洞高地應(yīng)力洞段錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)研究

(遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 工程概況

清河水庫地處遼河-鴨綠江流域遼河水系清河中游，位于遼寧省鐵嶺市清河區(qū)，控制流域面積2376km2。水庫設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為萬年一遇，設(shè)計(jì)洪水位135.10m，校核洪水位138.06m，總庫容9.68億m3。清河水庫是一座以防洪、灌溉為主，兼顧工業(yè)供水、養(yǎng)魚、旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程。

清河水庫由大壩、溢洪道、泄洪洞等組成。水庫大壩為黏土斜墻砂礫壩，最大壩高40.75m，壩頂高程139.25m，壩頂寬6m，壩頂長1622m；溢洪道為河岸開敞式，為6孔10m×9.50m弧形閘門控制的實(shí)用堰，堰頂高程126m，溢流總凈寬60m，最大下泄流量4599m3/s；泄洪洞位于大壩左側(cè)，為1孔4.5m×4.5m閘門控制的鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)圓形有壓洞，進(jìn)口底高程103.00m，洞長251.80m，設(shè)計(jì)流量300m3/s。清河水庫保護(hù)著鐵嶺市2縣(區(qū))25個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))近百萬人、500余萬畝農(nóng)田和長大鐵路、哈大公路、京哈高速公路三大交通干線及“八三”石油輸油管道、大型火力發(fā)電廠等國家重要工程設(shè)施等的安全。

1958年7月，清河水庫開始建設(shè)，1966年9月投入使用。2011年11月進(jìn)行除險(xiǎn)加固主體工程建設(shè)，2014年6月通過驗(yàn)收投入使用。

2 工程背景

2005年8月上旬，清河流域發(fā)生1次超過百年一遇標(biāo)準(zhǔn)的特大洪水。為保證水庫汛期安全運(yùn)行，擬對清河水庫發(fā)電廠回水泵房段回水洞進(jìn)行封堵，與清河水庫供水取水頭部建筑物相結(jié)合設(shè)計(jì)為第二泄洪洞。改建后的泄洪洞主要由進(jìn)口段、洞身段和出口消能段組成，全長752m。其中，洞身段采用圓形斷面設(shè)計(jì)，洞徑4m。第二泄洪洞改建工程按照500年一遇洪水設(shè)計(jì)、萬年一遇洪水校核。

從項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)環(huán)境分析，水庫工程主要位于長白山構(gòu)造系，褶皺帶活動(dòng)比較強(qiáng)烈，斷層裂隙發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，其中部分施工段出現(xiàn)大變形，造成局部初期支護(hù)變形開裂。該標(biāo)段泄洪洞開挖初次設(shè)計(jì)的是利用鋼拱架、注漿錨桿以及噴射混凝土并預(yù)留變形量實(shí)現(xiàn)圍巖支護(hù)的傳統(tǒng)支護(hù)方式，但是，由于該段泄洪洞屬于高應(yīng)力軟巖隧洞，最大部位可達(dá)25MPa，傳統(tǒng)支護(hù)方式不適合此類隧洞的開挖支護(hù)。結(jié)合施工實(shí)際情況，擬變被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)，通過錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)，同時(shí)輔以鋼拱架和錨噴，提升圍巖和支護(hù)體的整體性。

3 錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)機(jī)理和方案設(shè)計(jì)

3.1 錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)機(jī)理分析

對于高應(yīng)力軟巖地下工程施工，傳統(tǒng)被動(dòng)支護(hù)方式支護(hù)效果不理想的主要原因是支護(hù)體和圍巖難以形成有效耦合。因此，要提高支護(hù)效果，首先需要解決的是支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的耦合支護(hù)問題。在采用錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)方式時(shí)，基于組合梁和懸吊理論，可以最大限度發(fā)揮錨桿和錨索的作用，其中，錨桿的主要作用是連接破碎的巖體，通過減小巖塊之間的相對滑動(dòng)提升巖體間的摩擦力，提高圍巖的整體性和承載力。鑒于錨桿對圍巖深部巖體加固效果不足，可以通過錨索的疊加效應(yīng)，加大對圍巖深部巖體錨固和穩(wěn)定作用，以適應(yīng)高應(yīng)力軟巖隧洞非線性變形特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)與隧洞圍巖在強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)等三方面的耦合。

3.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

在清河水庫第二泄洪洞高應(yīng)力軟巖施工段的錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)過程中，隧洞圍巖的應(yīng)力水平以及巖體的參數(shù)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因此，研究中基于相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、前期地質(zhì)勘測結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的方法，綜合確定研究洞段圍巖巖體的物理力學(xué)參數(shù)(見表1)。根據(jù)前期的地質(zhì)勘測資料，研究洞段的豎向應(yīng)力為21.5MPa，測壓力系數(shù)為0.75，水平應(yīng)力值為16.13MPa。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)上述數(shù)據(jù)資料對聯(lián)合支護(hù)的參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，得到如下的具體設(shè)計(jì)方案：錨桿選取全長4.50m的φ22 左旋無縱筋等強(qiáng)錨桿，橫向和縱向間距均設(shè)定為1.20m，錨桿采取全長錨固方式，現(xiàn)場布置與泄洪洞斷面垂直。錨桿托板為240mm×240mm×40mm規(guī)格的正方形托板。錨索的長度設(shè)定為16m，橫向和縱向間距均設(shè)定為3.50m，在同一橫斷面的拱頂、邊墻、墻角部位設(shè)置5根基本錨索，在兩側(cè)拱腰部位各設(shè)置1根加強(qiáng)錨索。錨索托板采用規(guī)格為300mm×300mm×50mm的正方形托板。錨索的錨固長度與錨桿相同，均為4m，在安裝完畢后施加600kN的預(yù)緊力。錨桿、錨索參數(shù)見表2。根據(jù)相關(guān)理論，形成組合拱是錨桿群在支護(hù)過程中承載作用的發(fā)揮機(jī)理，因此，支護(hù)過程中在泄洪洞圍巖表面噴射混凝土有助于強(qiáng)化組合拱的支護(hù)作用，同時(shí)，也可以防止巖體受到外部環(huán)境的侵蝕。該次施工設(shè)計(jì)中，首先利用C25早強(qiáng)混凝土噴涂25cm，待隧道變形積累至一定程度時(shí)，再利用C30混凝土襯砌50cm。

表2 錨桿、錨索參數(shù)

4 錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)效果數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模擬模型的構(gòu)建

MIDAS GTS-NX是一款巖土結(jié)構(gòu)分析有限元軟件，由邁達(dá)斯科技結(jié)構(gòu)軟件公司開發(fā)。由于本次研究需要基于實(shí)際工程背景，對支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖進(jìn)行精細(xì)化模擬計(jì)算，需要較多的單元網(wǎng)格數(shù)量，因此采用MIDAS GTS-NX軟件進(jìn)行建模計(jì)算。為了研究錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)效果，利用MIDAS GTS-NX軟件構(gòu)建研究對象的三維有限元模型。結(jié)合研究需求以及施工現(xiàn)場的具體情況，確定模型的尺寸為100m×100m×40m。為了滿足精細(xì)化研究的需求，對模型進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，對隧洞周邊進(jìn)行網(wǎng)格加密，最終劃分為56843個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，23674個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型的約束條件為：在模型的四個(gè)側(cè)面施加水平方向位移約束，模型的底部施加X、Y、Z方向約束，模型的上表面為自由面。根據(jù)研究段泄洪洞的應(yīng)力水平，在模型的上邊界施加21.5MPa的豎向應(yīng)力，同時(shí)在兩個(gè)側(cè)面施加16.13MPa的水平應(yīng)力，以模擬研究洞段的應(yīng)力環(huán)境。模型計(jì)算中的圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

4.2 模擬結(jié)果分析

為了說明和驗(yàn)證錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)方式的支護(hù)效果，研究中設(shè)計(jì)了未支護(hù)、傳統(tǒng)錨噴支護(hù)以及錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)三種不同的支護(hù)方式進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬過程中首先對模型施加相應(yīng)的應(yīng)力達(dá)到平衡狀態(tài)，然后按照開挖設(shè)計(jì)方案進(jìn)行泄洪洞開挖，并按照不同的支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)，在圍巖穩(wěn)定之后模擬過程結(jié)束。

圖1 不同支護(hù)方式下拱腰水平位移

圖2 不同支護(hù)方式下拱頂豎向位移

利用構(gòu)建的模型對三種不同支護(hù)方式下的泄洪洞圍巖位移特征進(jìn)行計(jì)算，得到拱腰水平位移和拱頂豎向位移特征曲線(見圖1和圖2)。由圖1可知，當(dāng)采用錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)方式時(shí)，圍巖巖體的水平位移量為7.76cm，比未支護(hù)工況減小7.91cm，比采取原設(shè)計(jì)方案中的錨噴支護(hù)方式減小2.10cm。說明采取錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)方式可以有效減小隧洞圍巖的水平移動(dòng)，防止圍巖巖體由于開挖后的應(yīng)力改變導(dǎo)致的剪切破壞。同時(shí)，由圖1還可以看出，泄洪洞圍巖的最大水平位移出現(xiàn)在圍巖表面，隨著圍巖巖體深度的增加水平位移量不斷減小并趨于平穩(wěn)。當(dāng)采用錨桿-錨索支護(hù)方式時(shí)，圍巖10m深度部位的水平位移量基本為零，但是錨噴支護(hù)和未支護(hù)條件下的位移量趨向于4.50cm和7.50cm，說明圍巖深部的巖體仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖2可知，未支護(hù)條件下的拱頂最大沉降量為16.54cm，采用錨噴支護(hù)方式時(shí)的拱頂最大沉降量為12.11cm，而采取錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)方式時(shí)，拱頂?shù)淖畲蟪两盗繛?0.02cm，為三種支護(hù)方式中最小的。由此可見，采用聯(lián)合支護(hù)方式可以起到良好的圍巖變形破壞控制作用。同時(shí)，由圖2還可以看出，泄洪洞圍巖的最大沉降位移出現(xiàn)在圍巖表面，隨著圍巖巖體深度的增加沉降位移量不斷減小，在深度超過5m后逐步趨于平穩(wěn)。由此也可以證明，僅依靠錨桿進(jìn)行圍巖支護(hù)安全性不夠，而利用錨索對深部圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性支護(hù)是必要的。

總之，無論從圍巖的水平位移和豎向位移來看，采取錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)方式的支護(hù)效果比其他兩種支護(hù)方式的效果要好，說明該方案為最優(yōu)支護(hù)方案。

清河水庫第二泄洪洞高地應(yīng)力軟巖泄洪洞錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)研究結(jié)論：根據(jù)高應(yīng)力軟巖泄洪洞圍巖的應(yīng)力水平以及巖體的參數(shù)，提出了錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)的具體設(shè)計(jì)方案；利用MIDAS GTS-NX軟件構(gòu)建數(shù)值模型，對錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果顯示該方案為最優(yōu)支護(hù)方案。

5 應(yīng)用情況分析

錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)方式作為一種新型支護(hù)方式，可以變被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)，在高應(yīng)力軟巖泄洪洞施工中表現(xiàn)出良好的支護(hù)效果。

清河水庫第二泄洪洞建設(shè)從2016年4月開始施工建設(shè)，至2017年10月主體工程完工。在泄洪洞的高地應(yīng)力軟巖隧洞，采取了錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)方式，并按照本文研究的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行施工。

施工過程中的圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：本文的模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況具有較高的契合度，因此，工程實(shí)踐證明本次研究采取的方法合適，結(jié)論對相關(guān)工程施工研究具有一定的借鑒和指導(dǎo)價(jià)值。