某水电枢纽工程引水隧洞塌方处理有限元法计算分析

2014-03-22郭建业谢振峰

东北水利水电 2014年6期

关键词：有限元法塌方灰岩

韩松，刘佳，郭建业，谢振峰

（1. 丰满发电厂，吉林吉林市 132108；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

某水电枢纽工程引水隧洞塌方处理有限元法计算分析

韩松1，刘佳1，郭建业2，谢振峰2

（1. 丰满发电厂，吉林吉林市 132108；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

该工程引水隧洞为有压洞，具有洞径大、内水水头高及塌方范围大等特点，因此，其处理方案的结构设计和计算是个关键问题。本文通过对塌方段处理方案的全面计算分析，最终确定了堆渣体灌浆处理厚度和衬砌的结构配筋，该方案已在工程中成功实施，为确保电站效益的持续发挥起到了极其重要的作用。

引水隧洞；塌方处理；有限元法计算

1 工程概况

枢纽主要建筑物由挡水坝、岸坡式溢洪道、引水隧洞、发电厂房及开关站等组成，为二等大（2）型工程，地震基本烈度为Ⅵ度。引水隧洞全长约 7 km，建筑物级别为 3 级。

2 隧洞塌方段情况简介

该隧洞在施工过程中产生局部塌方，塌方段长度 13.5m，塌方空腔最大高度约 40m，隧洞中心线垂直向上最大高度约 31.5m，塌方最大宽度约 25m，塌方堆渣体上部净空最高约 12m。从纵剖面上看，塌腔中心线偏向洞轴线右侧，两者夹角约 16°，从最大塌方横剖面上看，塌方偏向洞中心线右侧（面向上游），基本位于左顶拱至右腰线之间 90°的范围内。根据实测的塌方空腔形状和塌方空腔估算，塌方量4300m3左右。

3 塌方段工程地质条件

围岩为二叠系下统吴家坪组（P2w）下部和二叠系上统茅口组（P1m）的上部地层。

吴家坪组（P2w）岩性含燧石结核灰岩夹白云质灰岩、泥灰岩、炭质灰岩，深灰色，细～微晶结构，中厚层状构造；底部发育有透镜状厚度 0～3.0m，由破碎黑色泥灰岩、页岩夹中薄层碳质页岩构成的软岩夹层，属软质岩，其中炭质页岩岩块投入水中仅几分钟就崩解为细颗粒状和粉土的混合物，围岩类别为Ⅳ类，自稳能力差。

茅口组（P1m）含沥青质燧石结核灰岩偶夹炭质页岩和泥灰岩：深灰色，细～微晶结构，中厚层状构造。中厚层状含燧石结核灰岩夹白云质灰岩、含沥青质燧石结核灰岩均为硬质岩，岩石呈微风化状态，围岩自稳能力强；洞壁干燥为主，局部潮湿，围岩类别为Ⅱ类。

隧洞塌方段附近在两侧边墙各见有节理，走向为 N50°～60°E，倾向 NW 和 SE，倾角 85°左右，断续长度约 50.0m，宽度 0～2mm，方解石充填，节理面起伏光滑，节理间距 5～22m，节理切割层理，腰线以上存在不利围岩稳定的结构面组合。

吴家坪组（P2w）底部发育的透镜状厚度 0 ～3.0 m（由破碎黑色泥灰岩、页岩夹中薄层碳质页岩构成的软岩夹层），自身为工程地质缺陷，炭质页岩岩层受洞内水的浸蚀不断的软化变形，崩解的细颗粒状和粉土的混合物沿破裂的喷射混凝裂缝溢出形成小塌腔，小塌腔与不利围岩稳定的结构面组合联合作用不断扩大塌腔酿成较大规模塌方。

4 塌方处理设计计算

4.1 处理方案拟定

由于塌方段围岩破碎，塌腔上部情况无法探明，若盲目处理会导致围岩继续失稳，造成二次塌方，根据以往类似处理经验，结合塌方体实际情况，决定对该塌方段采取管棚、超前小导管注浆配合工字钢架支撑，对塌方地段灌注水泥液浆的处理方法通过，管棚以上堆渣不再进行清理。

根据塌方段的施工方案，结合引水隧洞实际受力情况，拟定了钢筋混凝土衬砌方案进行处理。

根据实测的塌方空腔形状，空腔上大下小，体积约 4300m3，空腔若全部采用混凝土回填处理的话，回填量大、投资高、施工困难，因此设计对该方案进行了大量计算和设计优化。由于堆渣体厚度较大，对顶拱以上一定厚度范围内的堆渣体进行固结灌浆处理，使其灌后达到一定的强度，根据洞子实际受力，采用有限元法对灌浆处理厚度进行敏感性分析，最终在满足设计安全可靠要求的前提下优选出该参数。同时根据固结灌浆后的堆渣体所能达到的弹性模量计算衬砌所需要的合理配筋。

4.2 有限元法结构计算

根据正常蓄水位与下游调压井最高涌浪高程，以及引水洞总长计算出隧洞塌方段中心线处内水压力为 100.1m。根据地质纵剖面图地下水位线显示，外水压力约 120m。

隧洞衬砌后设计洞径 6.0m，施工临时管棚在洞中心线4m以外布设，钢筋混凝土衬砌厚度采用 1.0m。

由于此处理方式下塌方段隧洞已非埋藏洞或明洞，结构属于非杆件体系，因此采用了平面有限元法选择最不利塌方断面进行分析计算。按照正常运行及检修两种工况，根据隧洞最小内径、衬砌厚度、实际受力等按照有限元法进行结构及配筋验算。混凝土、岩石、灌浆后堆渣体的物理力学参数见表1。

表1 各材料物理力学参数

经计算分析，结构安全由正常运行工况控制，以此工况下灌浆堆渣体顶部水平向应力具有不小于 0.1MPa 的压应力为控制条件，对堆渣体固结灌浆处理厚度进行敏感性分析，计算结果表明，最小处理厚度介于 16~18m 之间，按大值 18m 计。

根据计算结果，由于灌浆堆渣体和岩石模量相差较大，衬砌受力非常不均匀，其最大拉应力位于岩石和灌浆体交界处（软硬介质交界部位），最大拉应力约 2.7MPa，超过混凝土抗拉强度标准值且均匀贯穿衬砌整个厚度。

提取衬砌典型部位应力进行积分合成内力，根据 SL191-2008《水工钢筋混凝土结构设计规范》非杆件体系配筋计算原则，按照承载能力极限状态以及正常使用极限状态分别进行配筋量计算。计算结果表明，衬砌最终配筋由正常使用极限状态控制（裂缝控制验算）。

正常使用极限状态结构裂缝控制验算，可通过限制钢筋应力间接控制裂缝宽度。标准组合下的受拉钢筋应力 σsk符合规定：σsk≤αsfyk。其中：σsk为在标准组合下受拉钢筋应力；fyk为钢筋强度标准值；αs为考虑环境影响的钢筋应力限制系数。

配筋量计算公式为：

式中：Tk——为标准组合下有钢筋承担的拉力；As——需要的钢筋截面面积。

计算结果：顶拱 12857mm2，右边拱 6848mm2，底拱 5528mm2，左边拱 6867mm2。每米长度配筋 20 根 φ30，由于衬砌厚度内全断面受拉，为轴心受拉构件，配筋衬砌内外圈均分，均为 10 根，间距10cm，钢筋净距 7cm。

4.3 质量检查要求

待钢筋混凝土衬砌施工完毕之后必须对堆渣进行固结灌浆，综合考虑固结后堆渣单位弹抗与衬砌配筋关系、堆渣固结灌浆的施工难度、固结灌浆效果以及灌浆效果检测等因素，确定堆渣固结灌浆的最终效果采用固结后堆渣的单位弹抗 K0来衡量，并且要求 K0不小于 0.8GPa/m。但考虑到后期弹抗的检测方法非常繁琐且比较昂贵，根据围岩类别与弹抗和波速的对应关系，后期可以通过物探声波检测、钻孔压水试验来间接评价灌浆效果，要求固结后堆渣的检测波速 v 不小于 3000 m/s，同时要求其压水试验透水率不大于 0.05L/ (min·m·m）。

为了保证固结灌浆效果，建议事先进行现场灌浆试验，推荐合理的灌浆程序、灌浆方法、灌浆工艺、合宜的灌浆材料、浆液配比及灌浆参数。