引水隧洞富水洞段全斷面超前帷幕注漿圈厚度優(yōu)化研究

(遼寧澤龍水利實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 新民 110300)

1 工程背景

轎頂子電站位是一座以防洪和發(fā)電為主，兼有灌溉和養(yǎng)殖等諸多水利功能的綜合性小型水利工程，其壩址位于遼寧丹東寬甸太平哨鎮(zhèn)轎頂子村境內(nèi)，是北股河干流上規(guī)劃建設(shè)的重要水利工程之一[1]。電站壩址以上集雨面積293km2，設(shè)計(jì)庫(kù)容0.87億m3。電站主要由混凝土重力壩、副壩、溢洪道、泄洪洞以及引水發(fā)電系統(tǒng)組成[2]。其中引水發(fā)電系統(tǒng)的引水隧洞設(shè)計(jì)于大壩左側(cè)，全長(zhǎng)1123m，為馬蹄形斷面設(shè)計(jì)。由于引水隧洞規(guī)劃線路附近地下水埋藏較淺，且線路本身需要穿越DS3斷層破碎帶，因此，開(kāi)挖施工難度較大。

在施工過(guò)程中，掌子面底部一直有小量涌水，當(dāng)開(kāi)挖到穿越斷層破碎帶的引2+23斷面時(shí)，隧洞圍巖質(zhì)量明顯偏差，破碎情況比較嚴(yán)重，并開(kāi)始出現(xiàn)大量的涌水。現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果顯示，該段圍巖風(fēng)化程度十分嚴(yán)重，且多為軟巖，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，原設(shè)計(jì)的支護(hù)強(qiáng)度難以承載圍巖變形應(yīng)力，如不采取新的施工加固措施，極易誘發(fā)施工風(fēng)險(xiǎn)。基于此，工程項(xiàng)目部通過(guò)會(huì)商，擬對(duì)該洞段進(jìn)行全斷面超前帷幕注漿[3]。在注漿加固施工中，注漿加固圈的厚度是影響工程效果的關(guān)鍵性因素，厚度過(guò)小難以發(fā)揮加固和堵水功能，過(guò)大不僅會(huì)造成工程資金的浪費(fèi)，也不利于工期控制[4]?；诖耍舜窝芯客ㄟ^(guò)數(shù)值模擬的方式，對(duì)注漿加固圈的厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為工程建設(shè)的順利進(jìn)行提供支持。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 模型軟件

Midas NX(New experience of Geotechnical Analysis System)是一款專門(mén)針對(duì)巖土工程設(shè)計(jì)研究的大型有限元計(jì)算軟件，支持巖土工程領(lǐng)域的滲流分析、應(yīng)力分析以及應(yīng)力—滲流耦合分析等多種分析模式，具有較高的應(yīng)用性和專業(yè)性。該軟件的主要優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)直觀化的幾何建模，提供了巖土單元、結(jié)構(gòu)單元以及各種不同的彈簧和連接單元，可以使計(jì)算結(jié)果更加貼近工程受力狀態(tài)?；诖?，此次研究選擇Midas NX軟件，對(duì)研究洞段進(jìn)行滲流—應(yīng)力耦合分析，分析加固圈厚度對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 模型的構(gòu)建

對(duì)于巖土工程領(lǐng)域的數(shù)值模擬計(jì)算，一個(gè)合適的模型十分重要，可以有效減小誤差和工作量[5]。研究洞段的埋深為29.8m，隧洞的跨度為4.4m，高度為4.6m。為了合理進(jìn)行計(jì)算，選擇隧洞中心線為Y軸，指向下游的方向?yàn)檎较?，與Y軸垂直指向右岸的方向?yàn)閄軸的正方向，豎直向上的方向?yàn)閆軸的正方向?？紤]隧洞開(kāi)挖以及地下水滲流范圍的影響，模型在X軸方向的計(jì)算范圍為10倍洞徑；Z軸方向的計(jì)算范圍為8倍洞徑，Y軸方向?yàn)槿?0m；整個(gè)模型劃分為22818個(gè)計(jì)算單元，15835個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 邊界條件與計(jì)算參數(shù)

在模擬計(jì)算過(guò)程中，圍巖巖體的初始應(yīng)力場(chǎng)僅考慮巖體的自重應(yīng)力，將靜水壓力作為模型的孔隙水壓力值，不考慮全風(fēng)化巖體在開(kāi)挖過(guò)程中的蠕變變形[6]。隧洞施工階段共劃分為10個(gè)開(kāi)挖步，每個(gè)開(kāi)挖步掘進(jìn)距離為3.5m。模型采用等效連續(xù)介質(zhì)模型以及莫爾-庫(kù)侖彈塑性屈服準(zhǔn)則[7]。模型的底部為固定邊界條件，模型的頂部為自由邊界條件。在隧洞開(kāi)挖之前，假設(shè)模型的圍巖為飽水狀態(tài)，隧洞的襯砌滲流水壓力為零[8]。

圍巖力學(xué)參數(shù)主要由工程勘察資料提供，結(jié)合施工規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定以及數(shù)值模擬計(jì)算中的參數(shù)折減需要，將注漿后的彈性模量提升30%、注漿區(qū)巖體密度提升10%，內(nèi)摩擦角和黏聚力分別提升50%，滲透系數(shù)降低至原來(lái)的2%，其余參數(shù)保持不變。具體的模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型材料計(jì)算參數(shù)

續(xù)表

2.4 計(jì)算方案

注漿圈厚度直接影響到注漿量的大小，但是注漿圈的厚度并非越大越好，在實(shí)際工程中應(yīng)充分考慮加固后圍巖的承載力、止水效果以及工程的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合工程實(shí)際和相關(guān)研究成果，研究中設(shè)計(jì)了4.0m、5.0m、6.0m、7.0m、8.0m五種不同的注漿圈厚度，其余參數(shù)保持不變。利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)研究洞段的位移、塑性區(qū)、初支孔隙水壓力以及涌水量進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，獲取最佳注漿圈厚度。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移

利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)不同注漿圈厚度工況下的研究洞段位移變形進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取出隧洞圍巖關(guān)鍵部位的最終位移量，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2中的結(jié)果可以看出，研究洞段各個(gè)關(guān)鍵部位的位移量均隨著注漿圈厚度的增大而減小，說(shuō)明注漿加固圈的厚度越大，對(duì)控制圍巖位移越有利。從不同注漿加固圈厚度方案的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，當(dāng)注漿圈厚度小于6.0m時(shí)，增加注漿圈的厚度可以顯著減小位移變形量，隨著注漿圈厚度的進(jìn)一步增加，在控制位移量方面的作用會(huì)明顯減弱。結(jié)合位移變形計(jì)算結(jié)果和工程的經(jīng)濟(jì)性，注漿圈厚度應(yīng)設(shè)計(jì)為6.0m。

表2 研究洞段最終位移計(jì)算結(jié)果

3.2 塑性區(qū)

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同注漿圈厚度工況下的圍巖塑性區(qū)特征進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出塑性區(qū)最大半徑變化曲線(見(jiàn)圖2)。由圖2可知，塑性區(qū)最大半徑隨著注漿圈厚度的增加而減小。具體來(lái)看，當(dāng)注漿圈厚度小于6.0m時(shí)，塑性區(qū)半徑減小十分明顯，當(dāng)注漿圈厚度大于6.0m時(shí)，塑性區(qū)半徑的減小幅度較為有限。

圖2 塑性區(qū)最大半徑隨注漿圈厚度變化曲線

根據(jù)塑性區(qū)的分布特征計(jì)算出不同注漿圈厚度條件下貫通后每延米的塑性區(qū)體積，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3中的結(jié)果可以看出，塑性區(qū)體積與塑性區(qū)最大延伸半徑呈現(xiàn)出類似的變化特點(diǎn)，當(dāng)注漿圈厚度小于6.0m時(shí)，隨著注漿圈厚度的增加塑性區(qū)體積迅速減小，當(dāng)注漿圈厚度大于6.0m時(shí)，隨著注漿圈厚度的增加塑性區(qū)體積減小較為有限。結(jié)合塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果和工程經(jīng)濟(jì)性，建議采用厚度為6.0m的注漿圈厚度。

表3 每延米塑性區(qū)體積計(jì)算結(jié)果

3.3 初支孔隙水壓力

初支孔隙水壓力可以表征初支結(jié)構(gòu)以及注漿圈的止水效果。研究中對(duì)不同注漿圈厚度條件下的初支孔隙水壓力進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，隨著注漿圈厚度的增加，初支外側(cè)和內(nèi)側(cè)的孔隙水壓力最大值均有比較明顯的下降，但是變化幅度越來(lái)越小，特別是當(dāng)注漿圈厚度大于6.0m時(shí)孔隙水壓力值的減小幅度十分有限。

圖3 初支孔隙水壓力隨注漿圈厚度變化曲線

3.4 涌水量

在研究過(guò)程中，利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同注漿圈厚度下的涌水量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4中的計(jì)算結(jié)果可知，采用全斷面帷幕注漿之后，涌水量的控制效果十分明顯，即使采用厚度為3m的注漿圈厚度，也可以獲得比較好的止水效果。在初支結(jié)構(gòu)施作之前，研究洞段的環(huán)向涌水量占比較高，但是隨著注漿圈后的不斷增大，各階段的涌水量均有明顯的下降，但是降幅逐漸減小。

表4 涌水量計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

轎頂子電站施工過(guò)程中，隧洞圍巖破碎嚴(yán)重，出現(xiàn)大量涌水。本文以發(fā)電引水隧洞為例，利用數(shù)值模擬的方式探討了注漿加固圈厚度對(duì)工程效果的影響，獲得如下結(jié)論：模擬結(jié)果顯示，注漿圈厚度對(duì)圍巖的位移場(chǎng)和滲流場(chǎng)均有比較明顯的影響。

隨著注漿圈厚度的增加，圍巖的最大位移量、塑性區(qū)范圍、初支孔隙水壓力和涌水量均呈現(xiàn)出明顯減小的變化特征，當(dāng)注漿圈厚度大于6.0m時(shí)減小的幅度較為有限。綜合考慮注漿加固工程效果和工程成本，建議采用厚度為6.0m的注漿圈厚度。