某水電站泄洪洞和引水隧洞并行段最小凈距研究

江 華

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程背景

某水電站是一座以發(fā)電為主，兼有防洪和灌溉等功能的綜合性小型水利工程，也是遼寧省十三五重點水利工程項目之一，電站壩址以上集雨面積293km2，按照百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，千年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，設(shè)計水位293.5m，對應(yīng)庫容0.87億m3。水電站的主要建筑物包括混凝土重力壩、副壩、溢洪道、泄洪洞以及引水發(fā)電系統(tǒng)。受地形和地質(zhì)等方面因素的制約，電站的泄洪洞和發(fā)電引水隧洞均設(shè)計于大壩的左側(cè)，且需要兩隧洞之間的間距盡量小，以便在線路設(shè)計時能夠盡量避開左側(cè)山體中的SK03斷層。但是，該并行段基本處于弱風(fēng)化的安山玢巖地層結(jié)構(gòu)中，局部分布有輝綠巖和強風(fēng)化流紋巖，洞身段的圍巖類別以Ⅲ類為主，末端圍巖類別為Ⅳ類，強度較低、穩(wěn)定性差，兩者在施工過程中的影響不容忽視[1]。在以往的研究中，主要是考慮新建隧洞對原有隧洞的影響，而并行施工過程中面臨的力學(xué)問題無疑更為復(fù)雜[2]?；诖耍敬窝芯客ㄟ^數(shù)值模擬的方法，對泄洪洞和輸水隧洞施工過程中的相互影響和應(yīng)力位移特征進行研究，以確定泄洪洞和引水洞的最小間距，為工程的設(shè)計和順利施工提供參考。

2 有限元計算模型的構(gòu)建

2.1 軟件選擇

midas GTS NX 2019是一款針對巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元分析軟件，作為一個全面有限元分析軟件包，可處理各種巖土工程設(shè)計應(yīng)用，支持靜力分析、動力分析、滲流分析、應(yīng)力-滲流耦合分析、固結(jié)分析、施工階段分析、邊坡穩(wěn)定分析等多種分析類型，適用于各種實際工程的準(zhǔn)確建模與分析，并提供了多種專業(yè)化建模助手和數(shù)據(jù)庫[3]。同時，該軟件作為新一代巖土分析軟件，應(yīng)用了最尖端的圖形和分析技術(shù)，可以支持最新的OS圖形用戶界面。直觀的界面將使新用戶能夠輕松地將軟件集成到他們的工作流程中[4]。此外，該軟件還集成了混合網(wǎng)格生成功能，該功能可創(chuàng)建使用六面體和四面體元素的最佳組合的網(wǎng)格集，在建模復(fù)雜幾何形狀的較尖銳的曲線和拐角時更有效[5]。鑒于該軟件的優(yōu)勢和本次研究的實際需求，利用midas GTS NX 2019進行研究對象的有限元模型構(gòu)建。

2.2 模型的構(gòu)建

為了保證模擬結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，結(jié)合相關(guān)研究經(jīng)驗，確定模型的計算范圍為隧洞的上下各40m，左右各50m，模型的長、寬、厚分別為124m、85m和30mm[6]。其余圍巖部分利用相應(yīng)的壓力荷載施加于模型上部邊界，兩隧洞之間的間距設(shè)定為15m。對隧洞的支護結(jié)構(gòu)和周邊的圍巖部位進行網(wǎng)格加密處理?？紤]圍巖的塑性變形，圍巖巖體采用Druncker-Prager 模型本構(gòu)的實體單元[7]；隧洞的初支結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)單元，錨桿則采用彈性本構(gòu)植入式桁架單元。整個模型劃分為96681和計算單元，102420個計算節(jié)點，圍巖的網(wǎng)格單元劃分示意圖如圖1所示。

圖1 圍巖有限元模型示意圖

2.3 計算參數(shù)

結(jié)合相關(guān)研究成果和工程實際情況，在數(shù)值模擬分析中進行如下假定：研究洞段的圍巖為各向同性材料，模型采用Druncker-Prager準(zhǔn)則進行圍巖和支護結(jié)構(gòu)的計算研究，在計算過程中不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮自重應(yīng)力[8]。模擬計算中采用的材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.4 計算工況

本次研究的主要目的是針對不同隧洞凈距條件下的圍巖應(yīng)力位移影響模擬計算，獲得最佳泄洪洞和輸水洞凈距。顯然，影響隧道凈距的因素較多，圍巖條件、埋深條件以及開挖和支護方法均會產(chǎn)生比較顯著的影響。基于此，本次研究以背景工程地質(zhì)環(huán)境條件和相關(guān)工程設(shè)計為基礎(chǔ)，保持其余因素不變，分別建立凈距為隧洞直徑0.5倍、1倍、1.5倍、2倍、2.5倍、3倍等六種不同凈距的有限元模型，通過凈距對隧洞位移和應(yīng)力的影響模擬，獲得最佳凈距值。由于泄洪洞和引水洞的直徑均為4.2m，計算上述六個凈距值并取整后分別為2m、4m、6m、8m、10m和12m，分別記為工況1至工況6。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 圍巖特征點位移計算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，對不同工況下的隧洞圍巖總位移進行計算，在計算結(jié)果中獲取泄洪洞和輸水洞的拱頂、底板、左拱腰和右拱腰四個關(guān)鍵部位的位移值，結(jié)果見表2。由表中的計算結(jié)果可知，隨著泄洪洞和引水洞凈距的不斷減小，兩隧洞各部位的總位移值均呈現(xiàn)出不斷增加的態(tài)勢。但是，當(dāng)泄洪洞和引水洞凈距大于等于6m時，增加的速率相對較小，各部位在不同工況下的位移值比較接近；當(dāng)凈距小于6m時，位移值呈現(xiàn)出迅速增加的態(tài)勢，各部位的位移值急速增大。由此可見，泄洪洞和輸水洞的最小凈距應(yīng)該以6m為宜[9- 12]。

表2 圍巖總位移計算結(jié)果 單位：mm

3.2 中巖應(yīng)力計算結(jié)果與分析

由于泄洪洞和引水洞之間的巖體受開挖影響較大，同時也是隧洞建成后的重要受力部分，因此在研究中利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，對不同工況下的中巖Von-Mises應(yīng)力進行計算。在計算結(jié)果中提取8個關(guān)鍵點的計算結(jié)果(特征點位于中巖中線，最高點高于拱頂1m，最低點低于底板1m，所有特征點呈等距分布，特征點自上而下分別編號為1- 8)，并繪制出如圖2所示的Von-Mises應(yīng)力變化曲線。由圖可知，各個特征點的Von-Mises應(yīng)力隨著凈距的減小而增大，位于拱腰部位的特征點4和特征點5的表現(xiàn)最為明顯。從不同工況的結(jié)果對比來看，當(dāng)凈距小于6m時，應(yīng)力增大的速率明顯偏大，說明中巖的應(yīng)力疊加效應(yīng)十分顯著；而凈距大于6m時，應(yīng)力的變化較為平緩。綜上，從中巖應(yīng)力特征來看，最小凈距應(yīng)該為6m[13- 15]。

圖2 各工況Von-Mises應(yīng)力變化曲線

3.3 塑性區(qū)特征計算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，對不同工況下隧洞開挖之后的等效塑性應(yīng)變進行計算，根據(jù)計算結(jié)果，繪制出如圖3所示的最大等效塑性應(yīng)變值隨凈距的變化曲線。由圖可知，圍巖的最大等效塑性應(yīng)變值隨著凈距的減小而增大，當(dāng)凈距小于6m時，增大速率十分迅速，當(dāng)凈距大于6m時增加的速率比較平緩。由此可見，當(dāng)凈距小于6m時，凈距為圍巖塑性區(qū)的分布影響較大，容易造成中巖塑性區(qū)的貫通，當(dāng)凈距大于6m時，凈距對塑性區(qū)的分析影響較小。因此，從塑性區(qū)分布來看，泄洪洞和引水洞的最小凈距應(yīng)以6m為宜。

圖3 等效塑性應(yīng)變隨凈距變化曲線

4 結(jié)論

此次研究以某電站左岸的泄洪洞和引水隧洞并行段為例，利用數(shù)值模擬的方法對并行水工隧洞最小凈距問題進行研究分析，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)隨著凈距的不斷減小，隧洞圍巖的總位移值不斷增加；當(dāng)凈距小于6m時圍巖的位移值急速增大。

(2)隧洞中巖各個特征點的Von-Mises應(yīng)力隨著凈距的減小而增大，當(dāng)凈距小于6m時，增大的速率明顯偏大，說明中巖的應(yīng)力疊加效應(yīng)十分顯著。

(3)圍巖的最大等效塑性應(yīng)變值隨著凈距的減小而增大；凈距小于6m時，凈距為圍巖塑性區(qū)的分布影響較大，容易造成中巖塑性區(qū)的貫通，當(dāng)凈距大于6m時，凈距對塑性區(qū)的分析影響較小。

(4)綜合研究成果，泄洪洞和引水洞的最小凈距應(yīng)以6m為宜，可以為具體的工程設(shè)計提供參考。