泄洪洞進口軟巖洞段管棚超前支護參數(shù)優(yōu)化研究

唐鐿瑄

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 工程背景

清河水庫是一座兼有供水、防洪、灌溉等多種綜合功能的大型水利工程，其壩址位于遼寧省鐵嶺市清河區(qū)境內(nèi)的清河干流上[1]。清河水庫建成于20世紀(jì)50年代，集雨面積2376 km2，設(shè)計庫容9.71億m3。水庫的大壩為混凝土面板堆石壩，壩長1622.0 m，最大壩高39.6 m，壩頂寬6.0 m，水庫的泄洪設(shè)施由溢洪道和泄洪洞構(gòu)成。其中，6孔溢洪道的最大下瀉流量為4210 m3/s，大壩左側(cè)設(shè)置有備用泄洪洞，其最大下瀉流量為300 m3/s[2]。在水庫運行期間，壩址以上流域曾經(jīng)發(fā)生過多次特大洪水，給水庫造成了比較大的泄洪壓力。為了保證水庫的安全運行，經(jīng)多方論證后，擬將清河發(fā)電廠節(jié)水升級改造之后廢棄的回水隧洞改造設(shè)計為第二泄洪洞。改建之后的泄洪洞全長1800 m，主要由進口段、洞身段和出口段三部分構(gòu)成。其中，泄洪洞進口段為喇叭形，全長8.05 m，洞身段采用城門洞型斷面設(shè)計，斷面尺寸為5.0 m×5.5 m，出口處為明渠設(shè)計，長度為142.5 m，設(shè)計縱坡為3.13%。

改造工程需要對進口段進行重新開挖襯砌。由于該洞段埋藏較淺，且屬于構(gòu)造侵蝕山地地貌，為中風(fēng)化砂巖與粉質(zhì)砂巖巖性，夾少量細砂巖，巖體為極軟到軟質(zhì)巖類為主的層狀破碎結(jié)構(gòu)，地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜。參照相關(guān)的工程設(shè)計，在開挖前先作超前預(yù)支護管棚[3]，保證管棚和巖土體之間填充密實，避免施工中的過度沉降是工程設(shè)計中的重要問題[4]。

2 MIDAS GTS有限元模型

2.1 模型的構(gòu)建

MIDAS GTS是韓國 MIDAS IT 公司的一款大型通用有限元分析軟件。該軟件具有中文界面、建?？臁I(yè)分析及前后處理功能強大等諸多優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于巖體和隧道工程的設(shè)計和分析領(lǐng)域[5]。本研究利用MIDAS GTS軟件進行三維有限元模型構(gòu)建。

為了避免有限元數(shù)值模擬分析過程中無限域或半無限域問題造成計算過程中出現(xiàn)較大的誤差，因此需要選擇合適的計算區(qū)域[6]。相關(guān)研究成果表明，均勻彈性地層中的隧洞工程，其卸荷的位移和應(yīng)力的影響99%以上集中于5倍洞徑以內(nèi)，95%以上集中于3倍洞徑以內(nèi)。因此，本次研究的計算范圍選擇4倍洞徑。模型的上方延伸至地表，下方在隧洞底部向下取40 m，沿著輸水隧洞的軸線方向取30 m。以隧道軸線指向下游方向為Y軸正方向，以垂直于Y軸指向右側(cè)的方向為X軸正方向。在模型計算過程中僅考慮自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力。計算的邊界條件為地層的兩側(cè)取垂直約束，上部為自由邊界條件，底部為全位移約束[7]。模型圍巖采用 Mohr—Coulomb 準(zhǔn)則，采用均質(zhì)彈塑性模型，管棚采用彈性結(jié)構(gòu)梁單元模擬，噴混結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)板單元模擬。為了提高模擬計算的精度，對隧洞周圍部分進行網(wǎng)格加密處理，最終獲得10 230個網(wǎng)格單元，9897個計算節(jié)點。

2.2 計算參數(shù)與方法

根據(jù)地質(zhì)勘測資料，隧洞圍巖的物理力學(xué)參數(shù)按照工程前期的地質(zhì)勘查報告選取。根據(jù)相關(guān)研究成果，注漿加固后的軟弱巖土體可以將圍巖的等級提高一個級別，黏聚力則可以提高2～3倍[8]；對于注漿封口之后的管棚，則采取等效方法進行計算，各個支護結(jié)構(gòu)及圍巖材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 支護結(jié)構(gòu)及圍巖物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬計算通過MIDAS GTS中施工階段對輸水隧洞結(jié)構(gòu)的單元設(shè)置“鈍化”和“激活”兩種狀態(tài)來實現(xiàn)開挖過程，在開挖之前先進行管棚的施作，在加固巖土體之后進行初期支護的施作。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 環(huán)向間距的計算結(jié)果與分析

為了研究環(huán)向間距對支護效果的影響，研究中保持管棚長度為20 m，管徑為100 mm，管棚的布置范圍和注漿范圍保持不變，設(shè)計30 cm、40 cm、50 cm、60 cm和70 cm等5種不同的管棚間距，利用構(gòu)建的數(shù)值模擬模型，對圍巖的位移進行模擬計算。從計算結(jié)果中提取拱頂、底板和拱腰的累積位移量，結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，隧洞不同部位的位移隨著管棚間距的減小而減小，說明減小間距對控制施工過程中的圍巖變形有利。具體來看，當(dāng)間距從70 cm 減小到30 cm時，拱頂沉降量從50.53 mm減小到28.35 mm，說明間距對拱頂沉降存在較大影響；從底板變形量來看，間距>50 cm時變形量隨間距的減小而有效大幅度的減小，在間距<40 cm時，減小的幅度十分有限;從拱腰變形量來看，也具有類似的特征。由此可見，減小管棚間距對控制圍巖位移變形有利，但是加大施工作業(yè)難度和成本。結(jié)合模擬計算數(shù)據(jù)，管棚的環(huán)向間距以40 cm較為合理。

表2 不同間距的圍巖位移計算結(jié)果

3.2 管棚管徑計算結(jié)果與分析

為了研究管棚管徑對支護效果的影響，研究中保持管棚長度為20 m，管棚間距40 cm，管棚的布置范圍和注漿范圍保持不變，設(shè)計90 mm、100 mm、150 mm、200 mm和300 mm等5種不同的管棚管徑，利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值模擬模型，對圍巖的位移進行模擬計算。從計算結(jié)果中提取拱頂、底板和拱腰的累積位移量，結(jié)果如表3所示。

表3 不同管棚管徑的圍巖位移計算結(jié)果

由表3中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著管棚管徑的增大，隧洞拱頂和底板的位移量均有所減小，管徑達到150 mm時，位移量減小的幅度明顯降低。由此可見，增大管棚管徑對控制拱頂和底板的位移有較大的作用，一方面，隧洞的拱腰位移變形隨著管棚管徑的增大波動變化，說明增大管棚管徑對控制拱腰變形的作用并不明顯。另一方面，增大管棚管徑不僅會大幅增加施工成本，同時鉆孔的難度也會迅速增加。綜合考慮所有因素，管棚管徑為150 mm較為合理。

3.3 管棚長度計算結(jié)果與分析

為了研究管棚長度對支護效果的影響，研究中保持管棚間距40 cm，管棚管徑150 cm，管棚的布置范圍和注漿范圍保持不變，設(shè)計10 m、15 m、20 m、25 m和30 m等5種不同的管棚長度，利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值模擬模型，對圍巖的位移進行模擬計算。從計算結(jié)果中提取拱頂、底板和拱腰的累積位移量，結(jié)果如表4所示。

表4 不同管棚長度的圍巖位移計算結(jié)果

由表4中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著管棚長度的增大，隧洞各部位的位移量呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。但是，除了管棚長度由10 m增加到15 m時各部位位移量的減小幅度相對較大外，再增加管棚長度，圍巖位移量的減小的幅度較為有限。由此可見，管棚長度對隧洞圍巖的位移變形存在一定的影響，但是影響較為有限。綜合施工技術(shù)和成本等方面的因素，管棚長度為20 m較為合理。

4 結(jié) 論

本次研究以清河水庫第二泄洪洞為例，利用數(shù)值模擬的方法進行了管棚設(shè)計參數(shù)優(yōu)化研究，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)隧洞不同部位的位移隨著管棚間距的減小而減小，但是管棚間距<40 cm時，減小的幅度十分有限，因此管棚的環(huán)向間距為40 cm較為合理。

(2)增加管棚管徑對控制拱頂和底板的位移具有十分顯著的作用，對控制拱腰變形的作用并不明顯。當(dāng)管徑>150 mm時，控制拱頂和底板位移的作用明顯降低。綜合考慮所有因素，管棚管徑為150 mm較為合理。

(3)增加管棚長度對控制隧洞各部位的位移有利，但是作用較為有限。綜合施工技術(shù)和成本等方面的因素，管棚長度為20 m較為合理。