石筍河四級電站長距離引水隧洞應(yīng)力應(yīng)變分布數(shù)值模擬計算分析

楊 剛，劉 健

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 400074)

石筍河四級電站位于重慶市奉節(jié)縣石筍河。由于石筍河為典型的西南山區(qū)河流，水面比降大、水流急、水頭落差高，且由于平面布置受限制，需要設(shè)置長距離引水隧洞(總長為586.71m)。引水隧洞的埋深為13～252m。盡管采用了襯砌處理，為進(jìn)一步驗證實例工程在開挖過程的受力情況及應(yīng)變情況，本文擬借助三維有限元軟件，通過建立三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究分析。

1 工程概況

1.1 工程概況

石筍河四級電站位于重慶市奉節(jié)縣石筍河下游，上距奉節(jié)縣吐祥鎮(zhèn)約22km，下距長灘河雙河口3.2km。工程設(shè)計等級為四級，正常蓄水位庫容為450萬m3，調(diào)節(jié)庫容為408萬m3。工程多年年均徑流量為32411 m3/s，設(shè)計洪水位為451.69m，裝機(jī)容量為2×2400(一期)+4800(二期)=9600 kW，多年平均發(fā)電量為2218kW·h。

其中，引水隧洞布置于左岸，為有壓隧洞，隧洞長587.72m，引水隧洞為城門洞型，其立面示意圖如圖2所示，隧洞縱坡坡度為1.5∶10。進(jìn)口底板高程438.00m，出口底板高程392.71m；沿線地面高程430～690m，埋深13～252m。

1.2 設(shè)計洪水

根據(jù)工程附近把水寺站水文實測資料進(jìn)行推算分析，工程段設(shè)計洪水計算結(jié)果見表1。

1.3 泥沙特性

根據(jù)工程附近把水寺站水文實測資料，工程河段多年平均懸移質(zhì)輸沙量為34.16萬t；多年平均推移質(zhì)輸沙量約為5.12萬t。泥沙輸移主要集中在6—10月。

1.4 地形地貌及工程地質(zhì)

工程區(qū)地處新華夏系第三隆起帶和第三沉降帶之交接部位，亦即川鄂湘黔隆褶帶西北緣與四川沉降褶帶內(nèi)二級構(gòu)造—川東褶帶的接合部，其北緣與北西向的大巴山弧形構(gòu)造斜接、重接復(fù)合；在區(qū)域構(gòu)造上屬新華夏構(gòu)造體系。兩褶帶以齊耀山背斜為界，以南為新華夏系第三隆起帶，以北屬新華夏系第三沉降帶。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主，無區(qū)域性斷裂通過，壓性和壓扭性斷層較發(fā)育，但規(guī)模不大。齊耀山背斜以東，區(qū)域一級褶皺構(gòu)造均呈NNE向展布，背斜兩翼往往不對稱，西北翼緩，南東翼陡，軸面時有扭轉(zhuǎn)。齊耀山背斜以西，從SW向NE，主要構(gòu)造線由NNE走向自然彎轉(zhuǎn)為近EW向，均消失于齊耀山背斜西北側(cè)，成為突向NW的弧形構(gòu)造帶。

石筍河分別流經(jīng)攔河壩向斜、梁橋背斜、巫山向斜、齊耀山背斜。在構(gòu)造形式上以褶皺變形為

表1 工程處石筍河設(shè)計洪水計算結(jié)果

主，斷裂少見，區(qū)內(nèi)無深大斷裂分布，新構(gòu)造運(yùn)動上升作用十分強(qiáng)烈，流水深蝕，形成高崖深谷，背斜成山，向斜成谷，主要山脈走向均與構(gòu)造線方向一致，使山峰巍峨聳立，巍然壯觀。工程區(qū)區(qū)域構(gòu)造綱要圖如圖1所示。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

2 數(shù)學(xué)模型建立與計算

2.1 模型建立

建立三維數(shù)學(xué)模型來分析開挖過程中隧洞的應(yīng)力、應(yīng)變情況。模型采用FESWMS計算模塊，計算網(wǎng)格采用穩(wěn)定性最好的三角網(wǎng)格，間距設(shè)為5m，局部區(qū)域進(jìn)行加密處理。整個模型共有28560個網(wǎng)格和36350個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。其中，三維網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 三維模型建立及網(wǎng)格劃分

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

襯砌材料采用C25混凝土，根據(jù)試驗測定，襯砌部分彈性模量為28.2MPa；泊松比為1∶0.25；重度取24kN/m3；粘聚力為0。

2.3 計算工況分析

選擇隧洞開挖50m、200m、400m以及開挖完成為4個典型工況，分析各個工況下隧洞的應(yīng)力和位移情況。

3 數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果與分析

3.1 隧洞最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力分布

在4個典型工況下的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布變化過程分別如圖3—4所示。分析圖3、4可知：

(1)在開挖的初始階段，隧洞周圍土體的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布較為均勻，具有顯著的層次性。

(2)當(dāng)開挖進(jìn)行到200m時，隧洞周圍的應(yīng)力分布與初始狀態(tài)發(fā)生顯著區(qū)別，由于隧洞的支護(hù)作用，一部分應(yīng)力被支護(hù)分擔(dān)，隧洞周圍的應(yīng)力分布顯著小于未受擾動的土層。

(3)隧洞開挖至50m時，隧洞周圍最大土應(yīng)力為-25.52×105kPa，最小主應(yīng)力為-20.00×105kPa；開挖完成后，隧洞周圍最大土應(yīng)力為-29.20×105kPa，最小主應(yīng)力為-3.37×105kPa，均小于設(shè)計閾值，滿足穩(wěn)定要求。

3.2 襯砌應(yīng)力分布

隧洞在4個典型工況下的襯砌應(yīng)力分布變化過程如圖5所示。分析圖5可知：

(1)隨著隧洞的不斷挖進(jìn)，襯砌和噴混起了一定的支護(hù)作用，承擔(dān)了部分圍巖壓力，襯砌周圍土

圖3 各工況下最小主應(yīng)力分布云圖

圖4 各工況下最大主應(yīng)力分布云圖

圖5 各工況下襯砌應(yīng)力分布云圖

體壓力不斷減小，襯砌受到的壓應(yīng)力有所增大。

(2)在開挖初期，襯砌頂板壓力較小，最大應(yīng)力在底板處；隨著隧洞不斷開挖，底板壓力基本保持不變，頂板壓力不斷增大。

(3)開挖完成后，隧洞襯砌壓力值達(dá)到最大，為6.19×106kPa，發(fā)生在兩側(cè)拱頂拱腳位置，但仍小于設(shè)計閾值，滿足穩(wěn)定要求。

3.3 隧洞沉降分析

在4個典型工況下的隧洞附近沉降分布變化過程如圖6所示。分析圖6可知：

(1)隨著隧洞的不斷開挖，隧洞附近位移開始逐漸增大。在開挖距離小于50m時，位移并不明顯，當(dāng)開挖距離達(dá)到200m，隧洞周圍出現(xiàn)了比較明顯的沉降。且靠近地面的沉降要大于下部土體。

(2)當(dāng)開挖完成后，隧洞土體沉降達(dá)到最大，最大沉降值為0.02m，小于規(guī)范要求的0.025m沉降要求閾值，滿足穩(wěn)定要求。

4 結(jié)論

長距離引水隧洞通常埋在巖體中，受力特性較為復(fù)雜，為提供石筍水電站引水隧洞開挖過程中穩(wěn)定性依據(jù)，本文建立三維數(shù)值模型，詳細(xì)分析了開挖50m、200m、400m以及開挖完成后4組工況下的應(yīng)力應(yīng)變以及沉降分布情況。研究結(jié)果顯示：

(1)隧洞周圍最大土應(yīng)力為-25.52×105kPa，最小主應(yīng)力為-20.00×105kPa；均小于設(shè)計閾值，滿足穩(wěn)定要求。

(2)隧洞襯砌壓力值達(dá)到最大，為6.19×106kPa，發(fā)生在兩側(cè)拱頂拱腳位置，仍小于設(shè)計閾值，滿足穩(wěn)定要求。

(3)隧洞土體最大沉降值為0.02m，小于規(guī)范要求的0.025m沉降要求閾值，滿足穩(wěn)定要求。

綜合來看，在施工過程中，實例工程應(yīng)力、應(yīng)變值均滿足規(guī)范要求，設(shè)計合理可行。

圖6 各工況下隧洞沉降分布云圖

[5] 陳立華, 申明亮, 余雷. 基于OpenGL地下廠房洞室群施工仿真系統(tǒng)研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2013(5): 31- 36.

[6] 張生財. 新疆某水庫溢洪道布置方案比選[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2015(2): 83- 85.

[7] Howe M S. On the estimation of sound produced by complex fluid-structure interactions, with application to a vortex interacting with a shrouded rotor[J]. Proceedings of the Royal Society A, 2011, 433(1889): 573- 598.

[8] Duncan J M, Chang CY. Nonlinear analysis of stress of strain in soils, J Soil Mech Found Div[J]. Geotechnical Engineering, 1996.

[9] 王民壽, 楊興國, 謝培忠, 等. 小灣水電站地下廠房施工期洞室群施工仿真模擬的研究[J]. 云南水力發(fā)電, 2000(2)： 29- 33.

[10] 閻超, 于劍, 徐晶磊, 等. CFD模擬方法的發(fā)展成就與展望[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2017, 41(5): 562- 567.