立洲水电站引水隧洞三维非线性有限元分析

黄超，杨培章

(四川华电木里河水电开发有限公司，四川 西昌 610016)

0 引言

当前我国水电建设主要集中在云、贵、川地区，其隧洞朝着大洞径、结构形式复杂化、地质条件多样化、受力条件复杂化的方向发展，其与围岩联合工作的条件也愈来愈复杂，因此，引水隧洞施工期和运行期的围岩力学特性、受力条件及与之对应的应力变形特征和失稳破坏规律、衬砌结构受力特性也成为隧洞、调压井设计中的重大难点问题。立洲水电站引水隧洞支洞长5 137 m，地质条件较差且复杂多变，已完成一期开挖支护。在正常的设计支护下，多次发生因岩石条件突变和涌水等不可预料因素导致的洞内塌方和变形，说明传统结构计算方法(解析法)已无法全面反映衬砌结构与围岩联合受力特征。立洲水电站引水隧洞主洞段长达16 745 m，为了验证设计支护参数的合理性，寻找施工期和运行期洞内支护后变形的最不利部位，调整相应的支护参数以及加固、预防措施，从而减少洞内灾害和工期影响，达到减少投资的目的。运用有限元数值模拟对软弱地质条件下隧洞围岩的稳定性及结构的受力特性进行研究，具有重要的现实意义。

1 工程概况

立洲水电站采用混合式开发方式，枢纽工程由碾压混凝土双曲拱坝(坝高138 m)、坝身泄洪系统、右岸地下长引水隧洞及地面厂房组成，水库总库容1.897亿m3，具有不完全年调节性能，总装机容量为355 MW。

本文以立洲水电站引水隧洞工程为研究对象，该隧洞为有压圆形，隧洞中心轴线布置3个平面转弯，方位由 N 33.62°E 转为 N 24.12°W，再转为N 34.60°W 和N 88.86°W。隧洞进口中心线高程为2055.1 m，内径为 8.2 m，钢筋混凝土衬厚为 0.4 ～1.0 m，引水隧洞纵坡i=3.019‰。隧洞围岩大多属稳定性很差的Ⅳ，Ⅴ类围岩，含炭质板岩、砂板岩，易发生倾倒破坏和楔形体剪切滑移破坏。

2 计算模型及计算参数

2.1 有限元模拟范围及结构离散

立洲水电站引水隧洞三维有限元计算选取隧洞结构和较大范围围岩体作为整体研究对象，其中有限元计算模型铅直向底部取至1810.0 m高程，上部延伸至地表，以隧洞中心轴线为界，上游侧取210.0 m，下游侧取 250.0 m，前后侧各取 140.0 m，井台高程前后侧计算边界围岩厚度约120.0 m。有限元计算坐标系选定为

X轴:沿调压井引水隧洞方向(上下游侧)，轴向方位 N 56.2°W。

Y轴:垂直调压井引水隧洞水流方向(前后侧)，轴向方位N 3°E。

Z轴:与X轴和Y轴垂直，且Z=X×Y，沿井筒高程方向铅直向上。

根据横、纵剖面岩层分界线，地形等高线及调压井轮廓，并考虑分级开挖程序进行有限元三维建模;采用空间8节点等参数实体单元，支护锚杆采用等效围岩强度参数模拟。整个计算模型共剖分为100327个节点和99 680个单元。引水隧洞三维有限元计算网格如图1所示。

2.2 围岩开挖过程及支护措施模拟

隧洞的开挖同地下洞室的开挖一样，其岩体的开挖效应:一是体现在开挖岩体移除，参与计算时这部分刚度消失;二是开挖岩体对周围围岩失去支撑和变形约束。立洲水电站引水隧洞开挖采用工程上常用的“多载荷步法”，即上一级开挖形成的释放载荷按照一定比例施加在本级开挖边界上，再将开挖岩体“杀死”来模拟开挖效应。其效果如图2所示。

图1 立洲水电站引水隧洞三维有限元计算网格

围岩和支护非线性模型采用D－P弹塑性模型，运用基于M－C屈服准则的点安全系数法判断围岩开挖及初期支护的稳定性。通过提高锚杆加固区域围岩的强度参数，来模拟锚杆的加固作用。通常将锚杆加固区单元的强度参数凝聚力C值和弹性模量E值提高，一般提高15% ～30%。其等效公式可表示为式中:cy，φy，Ey为未加固岩体的凝聚力、内摩擦角和变形模量;fy为锚杆的抗拉强度;S为锚杆横截面面积;a，b为锚杆的纵、横布置间距;Lm为锚杆的设计长度;η为无量纲系数;L为锚固区围岩深度;ρ为含锚率，即单位加固区体积中锚杆的体积。

在引水隧洞分级开挖过程中，采用“先开挖及时锚喷支护，后衬砌施工”的方式进行整个隧洞开挖模拟。

2.3 材料参数

根据引水隧洞地质勘探资料和地质剖面图可知，立洲水电站引水隧洞有限元模拟范围内为Ⅳ类围岩，围岩条件较差。有限元计算模拟了调压室所处的三维地形、覆盖层和几个风化层岩带等。隧洞衬砌混凝土按C25混凝土考虑，其力学参数汇总于表1和表2。

2.4 引水隧洞有限元分析计算工况及载荷组合

根据DL/T 5195—2004《水工隧洞设计规范》中相关规定，立洲水电站引水隧洞运行工况载荷组合为:内水压力+混凝土结构自重+水平向围岩压力。

3 计算成果分析

3.1 施工期隧洞应力变形及稳定分析

立洲水电站引水隧洞分级开挖过程中，在底部地应力释放作用下，隧洞开挖底部铅直向上回弹变形，其最大回弹变形量为8.8 mm，隧洞顶部围岩受垂直向释放载荷作用影响向下变形，最大变形量为9.2 mm;在开挖面径向释放载荷和井周围岩厚度约束作用下，隧洞前后侧向洞内变形，呈对称分布，最大变形量为1.2 mm。可以看出，整个隧洞变形呈“椭圆形”分布，最大变形一般发生在开挖边界上。

图2 开挖释放载荷示意图

隧洞在开挖的同时及时跟进喷锚，存在开挖边界上的应力释放效应，位于隧洞顶部和底部围岩的主拉应力最大，但量值较小，不超过－0.63 MPa;隧洞两侧有较大的压应力集中，呈对称分布，最大值为11.4 MPa，发生在开挖边界区域。隧洞经过衬砌之后，其应力主要由衬砌混凝土来承担，在前后侧区域大范围存在拉应力，但量值较小，最大值为－0.26 MPa;衬砌外锚固区围岩拉应力范围明显减少。大主应力分布规律跟支护时应力的分布规律相同，但增加衬砌砼后，锚固区应力有所减小，最大为11.3 MPa。

表1 隧洞围岩与覆盖层物理力学参数地质建议值

表2 锚杆、混凝土、钢筋等材料物理力学指标

隧洞所处地质为Ⅳ类围岩，在8.2 m圆形开挖洞径下，隧洞两侧锚固区围岩产生最大深度约4 m的塑性区，主要分布在隧洞四周中心线交45°范围内，呈对称分布，贯穿于整个模拟区域。增加衬砌之后，受力重新分布，主要集中在衬砌砼上，锚固区围岩塑性区发育相对减少，其最大深度约3 m。引水隧洞锚固区位移分布如图3所示，引水隧洞锚固区应力分布如图4所示，引水隧洞衬砌结构应力分布如图5所示，引水隧洞锚固、衬砌后塑性区分布如图6所示。

3.2 运行期隧洞应力变形分析

通过有限元计算，当调压室出现最高涌水位时，引水隧洞衬砌受内水压力及山岩压力等的作用发生向外变形。从图3～图6中可以看出:在隧洞底部由于围岩垂直压力以及水体、混凝土衬砌重力的作用，变形比其他部位大，不对称分布;另外，径向位移相比垂直位移小，最大分布在隧洞前后衬砌砼内壁，对称分布。隧洞顶部和底部垂直位移最大分别为0.621 mm和0.727 mm，两侧径向位移最大为 0.563 mm，隧洞也呈“椭圆形”变化。

受内水作用，衬砌所受的大主应力量值远远小于C25混凝土的抗压强度(12.50 MPa)，且压应力在衬砌上的分布为内侧压应力大于外侧压应力，锚固区围岩压力有所减少，最大为11.00 MPa，主要由衬砌砼承担受力;衬砌的小主应力都处于拉力状态，衬砌内侧拉应力明显比外侧的大，且隧洞底部、顶部区域最大拉应力达到－2.31 MPa，超过其C25混凝土的抗拉强度(1.30 MPa)，呈对称分布。运行期引水隧洞位移分布如图7所示，运行期引水隧洞应力分布如图8所示。

图3 引水隧洞锚固区位移分布

图8 运行期引水隧洞应力分布

4 结论

对立洲水电站引水隧洞的有限元分析计算表明，隧洞分级开挖，其前、后侧存在较大的塑性区，开挖边界存在一定的应力集中。在有限元计算过程中，未考虑一些特殊不利因素的影响，因此，建议适当加长前、后侧向围岩的锚杆长度。Ⅳ类围岩稳定性很差，支护挖条件下塑性区深度还是很大，内水作用下衬砌砼承受较大的拉应力，很有必要施加钢支撑。

立洲水电站引水隧洞长达16 745 m，地质条件较差，多以炭质板岩和砂板岩为主，已完成一期开挖支护15 606 m，占开挖量的93.20%(其中Ⅲ类占10.15%，Ⅳ类占 68.75%，Ⅴ类占 21.10%)。现场以有限元研究成果为理论指导，取得了可喜的成效。洞内塌方和变形得到了有效的预防和控制，施工进度有所加快，大大减小了引水隧洞开挖对发电工期的影响，同时保证了施工期和运行期洞内的安全性和稳定性。

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