基于MIDAS的引調(diào)水工程泵站洞室穩(wěn)定性分析

白崇宇

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110007)

當(dāng)前我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，居民生活用水和工業(yè)需水量也在持續(xù)增多。為構(gòu)建多水源保障體系，提高調(diào)入?yún)^(qū)水資源安全保障水平，有效維系區(qū)域水源涵養(yǎng)和防風(fēng)固土等生態(tài)功能，近年各地陸續(xù)建設(shè)了一批跨流域長距離引調(diào)水工程。為區(qū)域建設(shè)生態(tài)文明、有效緩解當(dāng)?shù)氐叵滤?、解決民生問題和實(shí)施脫貧致富，全面建成小康社會(huì)提供戰(zhàn)略性的水利基礎(chǔ)設(shè)施支撐。

引調(diào)水工程一般是由引水口工程、出水口工程、分水口工程、輸水管道、隧洞、泵站等建筑物組成。由于泵站投資較高、施工難度較大、施工風(fēng)險(xiǎn)較高等原因?qū)こ痰慕ㄔO(shè)影響較大，是引調(diào)水工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其是否穩(wěn)定直接影響到工程的運(yùn)行安全，一旦失事后果極為嚴(yán)重。因此分析泵站地下廠房洞室的穩(wěn)定具有重要意義。

MIDAS GTS NX是一款專用于巖土及地下工程的有限元分析軟件，已被收入《水利水電工程勘測設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)軟件名錄》。包含線性與非線性靜力分析/動(dòng)力分析、滲流固結(jié)分析、施工階段分析等多種分析類型，具備滲流-應(yīng)力/邊坡耦合分析、非線性動(dòng)力分析-邊坡耦合分析等多項(xiàng)功能，廣泛應(yīng)用于水工、地鐵、礦山、隧道等領(lǐng)域的有限元分析，具有良好的通用性和拓展性。

本文即結(jié)合某工程實(shí)例，應(yīng)用MIDAS GTS NX軟件采用地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行有限元分析，通過模擬開挖支護(hù)過程，分析地下洞室圍巖的整體穩(wěn)定性，驗(yàn)證所選支護(hù)參數(shù)的合理性。對(duì)MIDAS GTS NX在水利工程中的應(yīng)用與推廣具有重要的參考意義。

1 數(shù)值分析方法

地下廠房洞室的數(shù)值計(jì)算現(xiàn)階段采用的方法主要有荷載結(jié)構(gòu)法、地層結(jié)構(gòu)法及經(jīng)驗(yàn)類比法等。荷載結(jié)構(gòu)法與地層結(jié)構(gòu)法最大的區(qū)別主要是對(duì)地下洞室荷載的理解不同，荷載結(jié)構(gòu)法認(rèn)為洞室開挖后圍巖產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要受其上圍巖的松散壓力，尚不能充分考慮結(jié)構(gòu)與圍巖的共同作用。而地層結(jié)構(gòu)法將支護(hù)結(jié)構(gòu)和地層視為一個(gè)整體，認(rèn)為地下洞室開挖引起了圍巖的應(yīng)力重分布，而地下結(jié)構(gòu)也與周圍圍巖共同發(fā)生變形，起到限制和約束圍巖的作用，這種計(jì)算方法比較符合地下洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特性。

地層結(jié)構(gòu)法能模擬條件復(fù)雜的地層狀況，不受地層形狀、材料不均勻性的限制；滿足靜力平衡條件、變形協(xié)調(diào)準(zhǔn)則；能輸出土體內(nèi)力、變形等全部信息，在模擬時(shí)自動(dòng)輸出變形應(yīng)力，簡便快捷。因此，地層結(jié)構(gòu)法在地下廠房洞室的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。

2 工程概況與地質(zhì)條件

2.1 工程概況

某跨流域引調(diào)水工程泵站由地下廠房、出水井、電梯井和施工支洞組成。其中地下廠房為矩形，長81.4m，寬18m，高21m。廠房頂巖體厚度一般為67～90m，大于廠房3倍高度，為深埋地下廠房。地下廠房北側(cè)通過進(jìn)水隧洞(CF主洞)與供水工程壓力隧洞調(diào)壓井相連，地下廠房西側(cè)通過出水平洞與出水豎井(井徑4m)相連，地下廠房北西端墻外設(shè)置一電梯井(井徑10m)。本地下廠房共設(shè)6條施工洞和1條排水廊道。地下廠房及建筑物布置如圖1所示。

圖1 地下廠房及建筑物布置圖

2.2 地質(zhì)條件

本工程場地地貌類型主要為丘陵、沖溝及山前階地。丘陵地貌坡度較緩，坡度在15°～20°之間，山頂植被以低矮灌木為主，山麓以松樹為主。本場區(qū)發(fā)育2條沖溝，一條東西走向，溝口寬約14.0m，溝深約6.6m，溝底基巖裸露，勘察期間溝里無地表水，沖溝兩側(cè)樹木茂密，多為高大松樹；另一條南北走向沖溝，溝口寬一般約20.0m，溝深約8m，溝底和溝壁植被較發(fā)育，多為低矮草木，溝底為沖洪積砂礫石層。山前階地分布在場地西北部，地勢起伏較大，地表大部分為旱田地。

場地內(nèi)地層據(jù)鉆孔揭露和工程地質(zhì)測繪結(jié)果，主要為新生界第四系全新統(tǒng)坡洪積和沖洪積物、中生界侏羅系北票組砂礫巖和侵入巖安山斑巖。地下廠房段圍巖大部分為Ⅲ類，頂拱局部Ⅳ類。

3 洞室數(shù)值模型建立

3.1 洞室開挖方案及參數(shù)選取

根據(jù)圍巖的穩(wěn)定程度，地下廠房洞室的跨度等條件，可以把洞室的開挖方法分成全斷面法，臺(tái)階法，分步開挖法。本工程根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)，初步確定了地下廠房洞室的施工開挖順序見表1。將整個(gè)洞室開挖施工分為6期，第1期對(duì)排水廊道進(jìn)行全斷面開挖，之后5期按從上到下的順序開挖并及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)。噴射混凝土采用C30，厚度0.2m，錨桿采用φ25，長4m。地下廠房洞室施工開挖示意如圖2所示。

表1 地下廠房洞室施工開挖方案

圖2 地下廠房洞室施工開挖示意圖

選取正確的巖土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)直接決定洞室穩(wěn)定性分析。依據(jù)鉆孔巖芯鑒定、鉆孔壓水試驗(yàn)、巖石物理力學(xué)試驗(yàn)等，參考相關(guān)規(guī)范，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，給出各類圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 計(jì)算范圍的確定及本構(gòu)模型

為了得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，將地下廠房洞室的模型向外做了一定程度的拓展，模型底寬設(shè)定為218m，高設(shè)定為182.6m。地下廠房洞室模型的兩側(cè)邊界設(shè)置x方向約束，底部邊界設(shè)置x、y方向約束，頂部邊界自由拓展至地表。

經(jīng)典莫而-庫侖模型綜合了庫侖破壞準(zhǔn)則和胡可定律，是理想的彈塑性模型，其使用方便，經(jīng)常應(yīng)用于隧道、邊坡、堤防、土石壩等穩(wěn)定性分析。而各向同性-彈性模型是應(yīng)力與應(yīng)變直接成線性比例的彈性模型，鑒于沒有界定屈服值，適用于較巖土體材料強(qiáng)度大的多的鋼材、混凝土結(jié)構(gòu)等。

本工程即使用經(jīng)典莫而-庫侖的本構(gòu)模型、平面應(yīng)變單元模擬圍巖，各向同性-彈性的本構(gòu)模型、梁單元模擬噴射混凝土，各向同性-彈性的本構(gòu)模型、植入式行架單元模擬錨桿，利用MIDAS GTS NX進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3.3 模型的建立

創(chuàng)建準(zhǔn)確的地下廠房洞室模型對(duì)穩(wěn)定分析起著至關(guān)重要的作用。計(jì)算模型采用Ⅲ類圍巖斷面及Ⅳ類圍巖斷面進(jìn)行模擬，整體模型共劃分為24910個(gè)單元，20620個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算網(wǎng)格模型如圖3所示。具體操作步驟為：在madis軟件中新建y軸作為重力方向的2D模型→將地層AutoCAD文件導(dǎo)入→圖形交叉分割→建立巖土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料及屬性→對(duì)地層輪廓線、廠房邊界線進(jìn)行尺寸控制→依據(jù)尺寸控制劃分網(wǎng)格→添加重力荷載→添加邊界約束條件→設(shè)置分析施工階段→設(shè)置分析工況等。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格模型

模型建立過程中需注意的是：導(dǎo)入的dwg文件需以米為單位，在坐標(biāo)原點(diǎn)附近；通過在工作目錄樹模型表單中雙擊工作平面中xz(0，-1，0)按鈕，確保工作平面處于xz平面上。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 位移、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

求解運(yùn)行后，軟件可以直接計(jì)算出位移及應(yīng)力結(jié)果。位移結(jié)果如圖4所示，Ⅲ類圍巖斷面水平向最大位移為1.562mm，豎向最大位移為4.316mm。Ⅳ類圍巖斷面水平向最大位移為17.92mm，豎向最大位移為10.01mm。

圖4 水平、豎向位移云圖

Ⅲ類圍巖斷面洞室周圍巖體壓應(yīng)力值范圍主要為1.2～7.4MPa，底板與側(cè)墻交角處最大值7.34MPa，由第一主應(yīng)力云圖可知，泵站底部巖體局部受拉應(yīng)力最大值為0.96MPa。Ⅳ類圍巖斷面洞室周圍巖體壓應(yīng)力值范圍主要為1.0～5.0MPa，底板與側(cè)墻交角處最大值4.91MPa，由第一主應(yīng)力云圖可知，泵站底部巖體局部受拉應(yīng)力最大值為0.29MPa。應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。

圖5 第一、第三主應(yīng)力云圖

4.2 結(jié)果合理性分析

分析計(jì)算云圖，無論是水平向最大位移還是豎直向最大位移，Ⅲ類圍巖均小于Ⅳ類圍巖。Ⅲ類、Ⅳ類巖體整體受壓應(yīng)力，應(yīng)力值隨埋深的增加相應(yīng)增大，底板與側(cè)墻交角處有小范圍的壓應(yīng)力集中，但均小于巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度40～50MPa(Ⅲ類圍巖)、30MPa(Ⅳ類圍巖)。泵站底部巖體局部受拉應(yīng)力，但應(yīng)力值較小，亦小于巖石的抗拉強(qiáng)度6.5MPa。

計(jì)算結(jié)果表明，Ⅲ、Ⅳ類圍巖計(jì)算斷面的位移場分布和應(yīng)力場分布規(guī)律合理，地下廠房洞室不會(huì)產(chǎn)生塑性屈服，安全裕度較大。按施工順序開挖及支護(hù)完成后處于應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)。所選支護(hù)方案能夠滿足地下廠房洞室整體穩(wěn)定的要求。

4.3 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

有限元中的網(wǎng)格由一系列的單元組成，計(jì)算時(shí)荷載等信息就是通過單元傳遞，只有保證單元耦合才能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確。如何使支護(hù)結(jié)構(gòu)單元與周圍圍巖單元耦合決定了計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確。具體解決方法為：圍巖采用2D平面應(yīng)變單元模擬，噴射混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)采用1D梁單元模擬，錨桿結(jié)構(gòu)采用1D植入式行架單元模擬。

網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定影響，網(wǎng)格過密則耗費(fèi)大量的計(jì)算資源，而網(wǎng)格過疏則會(huì)造成較大的誤差。網(wǎng)格密度大于一定程度后，單純增加密度已不能再大幅度提高計(jì)算精度。先以合適的密度計(jì)算一次，再加密網(wǎng)格2倍，若兩次計(jì)算結(jié)果差異不大，則認(rèn)為網(wǎng)格密度選取合適。本模型中網(wǎng)格尺寸控制在1m。

準(zhǔn)確的模擬開挖支護(hù)過程對(duì)穩(wěn)定分析起著至關(guān)重要的作用。通過靜力邊坡分析菜單下施工階段管理命令，添加施工階段組并命名為泵站地下廠房施工，階段類型選擇應(yīng)力階段。定義施工階段中通過激活鈍化數(shù)據(jù)建立廠房洞室開挖、噴射混凝土、錨桿等各施工階段。為確保算得的位移為開挖支護(hù)引起的位移，需在第一階段地應(yīng)力平衡后點(diǎn)擊位移清零選項(xiàng)。

5 結(jié)語

(1)應(yīng)用巖土有限元分析軟件MIDAS可以高效便捷地對(duì)泵站地下廠房洞室的開挖支護(hù)各環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)值模擬，可以展示不同施工階段的應(yīng)力、應(yīng)變情況，并給最大應(yīng)力及最大位移產(chǎn)生的位置。

(2)本文旨在通過某擬建泵站，實(shí)例詳細(xì)說明MIDAS在地下洞室施工數(shù)值模擬分析中的應(yīng)用，為類似地下工程提供一種確定設(shè)計(jì)參數(shù)的方法。研究圍巖物理力學(xué)參數(shù)主要通過巖土力學(xué)試驗(yàn)，并沒有考慮斷層、節(jié)理、軟弱夾層等不利因素的影響。在實(shí)際施工過程中，想準(zhǔn)確的反映圍巖的受力狀態(tài)，更應(yīng)該與實(shí)際開挖暴露情況相結(jié)合，加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，保證工程安全。