引水隧洞進口軟弱基底加固措施優(yōu)選研究

于秀英

（凌源市興源街道水利站，遼寧凌源 122500）

1 工程概況

勝利水電站是一座以發(fā)電和防洪為主，兼有其他諸多功能的大型水利樞紐工程，同時也是渾河的重要支流蘇子河梯級開發(fā)的重要工程。電站的壩址位于遼寧省新賓縣勝利村境內(nèi)[1]。電站大壩為混凝土重力壩壩型，按照30年一遇洪水標準設(shè)計，按照百年一遇洪水標準校核，設(shè)計水位和校核水位高度分別為146.78m和148.07m，設(shè)計庫容6.98億m3[2]。勝利水電站的發(fā)電引水隧洞位于大壩右岸，其進口部位的圍巖等級較低，主要由全風化到強風化泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成。軟巖地下洞室開挖工程施工初期的流變效應往往會給施工工作造成嚴重影響，根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件，進洞之后的前30.0m采用雙側(cè)壁導坑法開挖，然后進行大管棚注漿加固。在圍巖基本穩(wěn)定之后，利用三臺階仰拱法開挖施工，之后進行流水開挖。

2 加固方案設(shè)計

2.1 施工現(xiàn)狀

由于發(fā)電引水隧洞進口部位的圍巖質(zhì)量較差，屬于全風化V級圍巖。其中隧洞的洞底在開挖過程中出現(xiàn)了大量的滲水現(xiàn)象，造成洞底基底軟弱，同時洞底的下沉導致初支結(jié)構(gòu)的拱架變形和襯砌混凝土開裂等比較嚴重的變形。鑒于情況比較嚴重，為了保證施工安全及建成后的引水隧洞能夠穩(wěn)定運行，對引水隧洞進口100.0m以內(nèi)的引水隧洞洞底進行注漿加固，以提升洞底的承載力，達到控制隧洞變形，保證施工安全進行的目的[3]。

2.2 加固措施

結(jié)合洞底軟弱基底的實際情況，擬采用注漿加固的方式。具體措施為將該洞段洞底的C15混凝土換填為1.5m，下部采用注漿鋼花管進行注漿，間距為1.5m×1.5m，梅花型布置。但是，考慮到回填深度和注漿管長度會對隧洞變形造成比較明顯的影響[4]，研究中設(shè)計1.0m和1.5m兩種不同的回填深度，以及4.0m和8.0m兩種不同的注漿花管長度，設(shè)計出如表1所示的5種具體加固方案。針對不同的加固方案，利用數(shù)值模擬分析方法對隧洞的應力和位移特征進行模擬計算分析，并對各種方案進行評價，以獲取最優(yōu)的加固方案，為施工的順利進行提供必要的支持。

表1 具體加固方案m

3 有限元計算模型的構(gòu)建

3.1 FLAC3D有限差分軟件

FLAC是ITASCA公司開發(fā)的一款專門應用于巖土工程分析的大型有限元差分分析軟件[5]，其中FLAC3D是FLAC二維計算程序的三維擴展，在功能上有了較大的提高和改善，可以有效模擬三維巖土體材料的力學特征，非常適合巖土材料大變形模擬分析，目前已經(jīng)廣泛應用于地下洞室、邊坡穩(wěn)定性評價、隧道、深基坑等諸多領(lǐng)域[6]。由于該軟件可以利用應變增量數(shù)值，循序計算獲取應力增和平衡力，能夠十分準確地模擬材料的流動特征和塑性破壞，大大優(yōu)于有限元降階法。因此，此次研究選擇FIAC3D有限差分軟件進行進口開挖洞段的有限元模型構(gòu)建。

3.2 有限元計算模型的構(gòu)建

結(jié)合勝利水電站引水隧洞入口V級圍巖洞段的實際情況，選擇典型斷面K+013進行有限元計算模型的構(gòu)建。根據(jù)初始工程設(shè)計，K+013斷面埋深較小，最大埋深為36.0m，該斷面為2.8m×3.0m城門洞型斷面設(shè)計。根據(jù)巖土力學領(lǐng)域的理論和實踐經(jīng)驗，地下洞室工程開挖施工對圍巖的影響主要集中于5倍洞徑以內(nèi)的區(qū)域[7]。為了保證計算的精度和研究結(jié)果的科學性，同時考慮計算量，研究中以10倍洞徑為標準確定模型的計算范圍。

在模型計算過程中，以垂直于隧洞中心線指向右側(cè)的方向為X軸正方向；以隧洞中線指向下游的方向為Y軸的正方向；以豎直向上的方向為Z軸正方向。FLAC3D軟件中提供了豐富的網(wǎng)格單元類型，結(jié)合研究需求和工程實際，對構(gòu)建的幾何模型利用六面體等參數(shù)單元進行網(wǎng)格單元劃分；對隧洞附近區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格單元的平均邊長為0.8m，其余部位的網(wǎng)格單元平均尺寸為4.0m。整個模型劃分為12367個網(wǎng)格單元，14560個計算節(jié)點。

3.3 約束條件與計算參數(shù)

邊界條件是影響模型構(gòu)建和計算結(jié)果科學性、準確性的重要因素。為了適應不同研究對象的實際情況，F(xiàn)LAC3D軟件提供了類型豐富的邊界條件。結(jié)合本文研究的目的，對構(gòu)建的模型選擇位移邊界條件和應力邊界條件。具體而言，忽略模型上部的碎石影響，僅考慮全風化泥質(zhì)粉砂巖的影響，在模型的上部邊界施加0.35MPa法向均布荷載，在模型的兩側(cè)施加1.04MPa的水平荷載，以模擬隧洞上部圍巖自重的應力影響。研究中結(jié)合開挖實際，每個臺階開挖3.0m，共完成3個臺階的開挖，共9步。模型的上部為自由邊界條件，在模型的左側(cè)和右側(cè)施加水平位移約束，模型的底部為全位移約束條件[8]。模型材料的物理力學參數(shù)也是影響計算結(jié)果準確性的重要因素，研究中結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)和相關(guān)研究經(jīng)驗，確定如表2所示的模型材料物理力學參數(shù)。

表2 模型材料計算參數(shù)

4 計算結(jié)果與分析

4.1 應力

在模型應力計算結(jié)果中，提取研究洞段基底中心和端側(cè)的應力值，結(jié)果如表3所示。由表3的結(jié)果可知，在加固方案1條件下，基底中心和端側(cè)應力值最大，并表現(xiàn)為壓應力，這說明采取加固措施對減小圍巖應力水平具有重要作用。加固方案3的基底中心壓力值最小，為-46.04MPa；計算方案5的端側(cè)應力值最小，為-60.47MPa。由此可見，從地基受力分析的視角來看，方案4和方案5的加固效果最佳。

表3 研究洞段基底中心和端側(cè)應力計算成果MPa

4.2 位移

在位移模擬計算結(jié)果中，提取隧洞拱頂、拱腰和仰拱等3個關(guān)鍵部位的位移數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4所示。由計算結(jié)果可以看出，采取加固措施對約束隧洞襯砌變形具有十分顯著的作用。從數(shù)據(jù)來看，加固巖土體越深，對拱頂沉降變形的控制效果并不是越好。在同樣的回填深度條件下，加固深度為4.0m的兩個方案的拱頂沉降量明顯小于加固深度為8.0m的兩個計算方案。

表4 位移計算結(jié)果mm

從拱腰收斂變形來看，方案2和方案3的收斂變形量相對較大，方案4和方案5的收斂變形量相對較小，由此可見，水平應力和變形與回填深度的關(guān)聯(lián)度較高，回填深度為1.5m情況下，拱腰的收斂變形量明顯偏小。

從仰拱位移來看，方案2和方案4表現(xiàn)為向上位移，方案2在控制仰拱位移方面優(yōu)于方案4；方案3和方案5表現(xiàn)為向下位移，方案3在控制仰拱位移方面優(yōu)于方案5?？傮w而言，方案4在控制仰拱位移方面效果最佳。

綜上，方案4在拱頂沉降、拱腰收斂及仰拱位移控制方面，均可以取得最佳效果。鑒于方案4和方案5的應力計算結(jié)果比較接近，沒有明顯的差別，因此推薦方案4為最佳加固方案。