两河口水电站初期导流洞竖井闸室施工开挖过程数值分析研究

中图分类号：TV文献标识码： A

1 引言

两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，为雅砻江中、下游的“龙头”水库，坝址位于雅砻江干流与支流鲜水河的汇合口下游约2km河段。电站控制流域面积约6.57万km2，坝址处多年平均流量666m3/s，水库正常蓄水位2865.00m，相应库容107.67亿m3，调节库容65.6亿m3，具有多年调节能力。枢纽建筑物由砾石土心墙堆石坝、溢洪道、泄洪洞、放空洞、地下厂房等建筑物组成。砾石土心墙堆石坝最大坝高295m，电站装机容量300万kW，多年平均发电量110.00亿kW•h，开发任务以发电为主，兼顾防洪。

工程施工采用断流围堰、隧洞泄流、大坝基坑全年施工的导流方式，在右岸布置2条初期导流洞：1#、2#导流洞，平面上呈双弯道，下游弯道及其后直段与电站尾水洞结合，导流洞断面尺寸：12×14m（宽×高）。2条初期导流洞进口闸室均采用竖井式，闸室尺寸为：16.5m×26.4m×60.5m（长×宽×高），闸室顶设交通洞，交通洞断面尺寸：14.5×9m（宽×高）。1＃、2＃导流洞竖井闸室并排排列，1＃导流洞上覆岩体最大厚度约240m，最大水平埋深约290m，竖井闸室段上覆岩体厚度约120m。2＃导流洞上覆岩体最大厚度约300m，最大水平埋深约350m，竖井闸室段上覆岩体厚度约165m。沿线出露地层岩性为两河口组中下段T3lh1（2）～T3lh2（5）变质砂岩、板岩，沿线软弱结构面、断层、层内层间挤压错动带发育，坝区总体储水不丰，水力联系差，基岩裂隙水局部具承压性。

本文采用ABAQUS软件，通过对两河口水电站初期导流洞竖井闸室的施工开挖支护过程进行非线性有限元模拟，重点研究竖井分步开挖过程中的围岩塑性区发展状况、变形情况及支护结构的应力分析，对竖井周围岩稳定性进行分析评价并提出施工开挖支护的安全建议。

2 计算模型建立

2.1计算理论

（1）初始地应力场的反演

竖井开挖之前，岩体处于静止平衡状态，开挖后由于井周卸荷，破坏了平衡，井周岩体进行应力重分布。开挖前的初始应力场，根据地应力测点计算结果分析比较了实测点的铅直向应力分布与自重应力场之间的关系，经综合分析后采用以下地应力场作为初始地应力场进行施工开挖期的围岩稳定分析计算：① 铅直向应力：；② 顺水流向（主洞的水流向方向）：；③ 垂直于水流向应力：。

（2）施工开挖的机理及模拟

施工开挖的模拟主要包括开挖单元应力释放并转化为等效节点荷载以及作用于结构自身的问题。对于已知的初始地应力，在结构的有限元计算方法中，开挖荷载可按下式进行计算：，式中：[B]为几何矩阵；为单元的初始应力。将形成的开挖荷载施加在开挖边界上，在初始应力场的条件下求出整个结构相应的扰动应力场，所得位移为开挖后开挖周边及围岩的位移。

使用ABAQUS程序事先对所计算的结构进行网格剖分，进而计算得到整体结构的刚度矩阵。模拟分析竖井的施工开挖时，程序采用“死活”单元的形式，以“死”单元来模拟开挖单元（这里的“死”单元是把要开挖掉的单元物理参数值取得很小，使其对整体刚度的贡献可以忽略）。

（3）喷锚支护的模拟

本文对锚杆支护作用的数值模拟方法采用等效连续法（加锚岩体均质等效），不具体模拟每根锚杆，而是将加锚后得到改善的岩体力学参数反映到计算模型中去。具体采用杆单元模拟支护锚杆，通过设定单元的截面面积和材料参数，模拟锚杆直径的变化以及其应力应变关系。计算结果中，通过杆单元的应力状态来反映锚杆的作用（压应力为负值，拉应力为正值）。

（4）弹塑性计算

本文在弹塑性计算过程中，围岩采用子午线性状为线性的扩展的Drucker－Prager准则，采用理想弹塑性本构关系和相关联的流动法则；锚杆采用Mises屈服准则。

① 扩展的Drucker－Prager准则

其屈服函数为：，其中：为摩擦角；为材料参数，；；；凝聚力与输入的硬化参数有关（使用单轴受压屈服应力定义硬化时：，使用单轴受拉屈服应力定义硬化时：）。

② Mises屈服准则也称第四强度准则

可用下式表示：，式中：为Mises等效应力，为单轴受时的屈服强度（应力），表示在复杂应力状态下，当等效应力达到单轴受力的屈服应力时，材料即屈服。

2.2计算模型

两个初期导流洞竖井闸室并列布置，结构尺寸一致，本文以覆盖层厚度较大的2#导流洞为中心建立模型。

整个竖井闸室模型计算范围：上下游方向在2#导流洞渐变段的上、下游各取了30m；上层覆盖层取至高程2716.5m（Ⅲ2类岩体的边界位置），下部取到闸室底板下30m处；左方向的岩体取至两闸室中间处，右侧从闸室开挖边界往右取约67m。计算时岩体采用8节点等参单元、Drucker-Prager屈服模型模拟；混凝土衬砌、喷层和锚杆分别采用8节点实体等参单元、4节点板壳单元、2节点杆单元模拟，其中混凝土衬砌、喷层为线弹性模型，锚杆为理想弹塑性模型。整个计算模型有单元138585个，节点139276个；其中锚杆单元33480个，喷层单元4500个，衬砌单元19169个，整体计算模型详见图1，衬砌模型详见图2。

图1竖井闸室整体网格图 图2竖井闸室结构网格图

计算时采用的围岩力学参数如表1所示。

表1 地下洞室围岩物理力学参数

围岩 类别 围岩物理力学参数

密度 变形模量 泊松比 抗剪断强度 抗剪强度 弹性抗

力系数 坚固

系数

ρs Eo μ ƒ′ c′ ƒ Ko ƒk

g/cm3 /GPa MPa MPa/cm

Ⅲ1 2.68～2.77 8～12 0.25 1.0～1.2 1.0～1.5 0.70～0.95 40～50 4～5

Ⅲ2 5～8 0.30 0.8～1.0 0.7～1.0 0.65～0.70 30～40 3～4

Ⅳ 2.65～2.70 2～5 0.30～0.35 0.55～0.80 0.3～0.7 0.45～0.65 10～20 2～3

Ⅴ 2.60～2.65 ＜2 ＞0.35 ＜0.55 0.05～0.1 ＜0.45 ＜10 ＜1

2.3施工开挖方案

施工开挖方案设计时遵循以下原则：交通洞洞身采用全断面开挖方法；2＃导流洞闸室前后渐变段及过流部位分两层开挖，上层开挖高度为7～10m，下层开挖高度约为9～10m；2＃导流洞竖井闸室利用顶部交通洞作为工作面由上至下进行开挖，中导坑领进，两侧扩大跟进至高程2611.5m，竖井闸室开挖安排3个阶段。

经综合考虑，本工程计算过程中分6次步骤进行施工开挖，具体施工期采用的开挖顺序如下：

（1）第一步：全断面开挖交通洞；

（2）第二步：开挖导流洞上层；

（3）第三步：开挖导流洞下层；

（4）第四步：竖井上部开挖，即从交通洞底板2657m高程至2645.25m高程；

（5）第五步：竖井中部开挖，即从2645.25m高程至2630m高程；

（6）第六步：竖井下部开挖，即从2630m高程至导流洞顶板2615.7m高程。

2.4施工开挖数值模拟

计算过程中对于每一步开挖均采用一次挖除计算方法，同时在围岩达到一定变形时（假定开挖荷载释放60%左右时）施加喷锚支护，具体开挖过程详见图3。同时，在施工开挖过程中，当每层开挖完毕之后进行支护时，喷层喷至开挖边墙底角位置，锚杆则预留约1~1.5m的施工空间。

（a）第一步开挖 （b）第二步开挖（c）第三步开挖

（d）第四步开挖 （e）第五步开挖（f）第六步开挖

图3 六步开挖过程模拟图

3 计算成果分析

3.1围岩塑性区分析

在围岩开挖过程中，由于内部岩体的挖除，在开挖边界处形成临空面，造成靠近临空面的岩体应力扰动且发生朝向临空面的变形，当应力变化幅度和变形达到一定数值，局部围岩进入塑性屈服状态。按照开挖顺序，具体分析了施工开挖过程中岩体的塑性区发展状态，详见图4所示。

（a）第一步开挖 （b）第二步开挖（c）第三步开挖

（d）第四步开挖 （e）第五步开挖（f）第六步开挖

图4 六步开挖过程围岩塑性区分布图

从图4可以看出，第一步开挖时，围岩塑性区很小，仅出现在交通洞边墙与底板的交汇处，最大塑性区深度约为3m；第二步开挖时，在竖井闸室段区域，由于左右方向的扩挖，在闸室进口和出口段产生了两面垂直临空的岩体，因此在此处出现了一定范围的塑性区，在上下游方向最大延伸了最大达到了5.5m左右；第三步开挖时，对导流洞上部的围岩塑性区影响较小；第四步开挖时，由于交通洞已经开挖完成，而且水流向的地应力量值最大，因此竖井上部开挖后直接导致竖井闸室左右边的岩体产生了较大的塑性区，左右方向的分布基本对称，延伸范围达到约16m；第五步开挖时，围岩的塑性区进一步增大，主要增加区域出现开挖边界的底角位置，左右临空面的塑性区在铅直向延伸了约3.2m；第六步开挖时，由于与底下的导流洞空腔贯穿，且底部导流洞已经开挖完成，因此在导流洞与闸室的交汇处产生了一定的塑性区，在导流洞顶拱以及顶拱与边墙交汇处塑性区均有增加，向上、下游延伸了约6.5m，但深度不大，约为2.5m。

3.2围岩变形分析

在围岩施工开挖期间，由于内部岩体的挖除，造成洞周围岩发生朝向洞内的变形，根据计算结果，对每一步开挖支护完成后发生的最大变形进行统计，见表2。

表2 竖井闸室最大变形部位情况统计（单位：ｍｍ）

开挖步骤 第一步 第二步 第三步 第四步 第五步 第六步

发生最大变形部位 交通洞两侧洞壁 导流洞与竖井闸室临空面 导流洞扩挖段顶拱 竖井闸室上、下游临空面中部 竖井闸室上、下游临空面中部 竖井闸室的上下游面与导流洞顶部交汇处

变形值 13.9 23 25.3 27.3 33.9 40.65

变形方向 上、下游方向 铅直向下 铅直向下 上、下游方向 上、下游方向 上、下游方向

3.3喷混凝土层应力分析

喷混凝土层在围岩开挖过程中主要起到封闭围岩破损面，避免围岩局部变形过大产生塌方或掉块的作用，因此要求喷混凝土层能够与围岩共同变形，并具有一定的柔度和抗拉能力。在计算过程中发现，由于围岩开挖过程中，导流洞、交通洞与竖井闸室纵横交错，一个方向的开挖往往在另外一个方向引起较大变形，因此在喷混凝土层中产生了较大范围的拉应力区域和压应力区域，尤其是在竖井开挖阶段，分别在交通洞和导流洞部位的喷层混凝土产生了较大拉应力区域。

（1）第一步开挖支护后，交通洞的喷混凝土层主要处于受压应力状态，其中最大主压应力为-4.87MPa，出现在顶拱与边墙相交的部位。

（2）第二步开挖后，在闸室扩挖段由于出现了两面临空的开挖边界，局部出现了最大达到8.83Mpa的拉应力；在导流洞边墙和顶拱交汇处出现了一定的压应力集中，最大主压应力达到了-12.68MPa。

（3）第三步开挖支护后，在导流洞边墙腰部位置出现了较大范围的拉应力数值区域，最大拉应力数值为8.74Mpa；而喷混凝土层的最大主压应力数值亦略有增加，局部达到-14.8Mpa。

（4）第四步开挖支护后，闸室上下游边墙与交通洞底板交汇位置的喷混凝土层出现了较大的拉应力范围，数值约在2.2~5.1Mpa之间；竖井闸室喷混凝土层最大主压应力则出现上下游开挖边界和左右边墙交汇处，最大值为-14.9MPa。

（5）第五步开挖支护后，竖井闸室上下游开挖边墙位置喷混凝土层出现了较大拉应力数值区域，其中拉应力数值分布在2.2~5.8Mpa之间；竖井闸室上下游开挖边界和左右边墙交汇处的应力集中明显，压应力峰值达到了-30.35Mpa。

（6）第六步开挖支护后，导流洞靠近扩挖段的喷混凝土层拉应力数值急剧增加，最大数值达到了16.57Mpa；喷层混凝土的最大压应力数值则在上下游边墙与左右边墙交汇处依然有小范围的压应力集中，大部分区域的最大压应力均在-8.97Mpa以下。

3.4锚杆应力分析

锚杆是围岩开挖期间重要的支护措施，与围岩保持同步变形，其主要作用是增加岩体整体性，帮助岩体提高自承能力，因此施加锚杆支护后的围岩变形的大小将是锚杆支护应力状态的决定性因素，分别分析整个开挖过程中系统支护锚杆应力状态的变化过程如下：

第一步开挖，锚杆主要承受拉应力状态，其中边墙底角位置的锚杆拉应力数值较大，最大达到了125.4Mpa，而顶拱位置的锚杆应力亦达到了约88.0Mpa。第四步开挖支护后，竖井闸室的左右边墙锚杆均出现了较大的拉应力数值，且越靠近交通洞底板，锚杆应力数值越大，有2~3排锚杆应力数值达到了锚杆的屈服强度310Mpa，而在竖井闸室的上下游边墙，靠近临空面的位置，最大锚杆应力亦达到了129.2Mpa。随着第五步和第六步的开挖和支护，竖井闸室上下游边墙和左右边墙的锚杆应力均有所增加，尤其是每层开挖边界区域的锚杆应力均明显较大，拉应力数值局部达到了约200Mpa，而其它大部分区域的锚杆应力均在155Mpa以下。

3.5分析总结与建议

从以上分析过程中可以看出：

（1）随着施工开挖的进行，围岩的塑性区逐渐增加，尤其是在第四步开挖过程中，在竖井闸室左右边墙位置出现了较大塑性区域，左右方向宽度达到15~16.8m，高度方向的深度局部达到10.0m，应在实际施工中重点注意。

（2）在围岩开挖过程中，主要发生朝向临空面的变形，由于水流向的初始应力量值较大，水流向的变形亦较大，因此在开挖全部完成后，在竖井闸室上下游边界出现了最大达40.65mm的变形，建议实际施工中加强施工期的围岩变形监测。

（3）由于交通洞、竖井闸室与导流洞纵横交错，因此后面一个施工步的开挖往往造成前面开挖区喷层应力数值的明显增加，在开挖完成后在喷混凝土层内出现了较大范围的拉应力区域，从图5可以看出：在交通洞边墙与竖井闸室交汇区域、竖井闸室上下游边界、闸室上下游位置的导流洞顶拱位置、导流洞边墙腰部位置区域的喷层拉应力数值均超过了2.0Mpa。因此建议喷混凝土采用钢纤维混凝土或增加挂钢筋网以加大喷层抗拉强度。

（4）对于交通洞和竖井闸室的系统支护锚杆，尤其是竖井闸室周边的系统支护锚杆应力数值较大，局部锚杆应力达到310Mpa而屈服，从图6可以看出：在竖井闸室顶部左右边墙区域均有3排锚杆进入屈服状态，且越靠近交通洞底板屈服锚杆长度越大，最大达到了约6.0m，因此建议在此部位应根据需要适当增加随机锚杆或预应力锚杆等支护措施，以提高支护结构的安全性。

图5 开挖完成后喷层拉应力示意图 图6 锚杆屈服区域（应力达到310Mpa）示意图

4 结论

本文采用ABAQUS软件对两河口水电站初期导流洞竖井闸室的施工开挖支护过程进行非线性有限元模拟。通过计算成果分析，总体来看，采用上述的六步施工开挖方式，每层的开挖高度均控制在10~15m之间，每层开挖完毕后采用适时支护方式（约释放60%），在开挖边界和临空面附近均有一定范围的塑性区出现。其中从交通洞底板往下开挖闸室体第一层时，在闸室左右两侧位置的岩体均出现了较大的塑性区，周边岩体亦出现了较大变形，且支护锚杆和喷层亦出现了较大的应力状态。但从最终计算结果可以看出，计算的收敛性较好，说明此时施工期的围岩稳定性基本可以保证，建议加强施工开挖过程中的围岩变形监测，尤其是闸室体本身与交通洞交汇位置以及闸室体与导流洞交汇位置，必要时及时施加刚性支护。因此，本文提出的六步施工开挖方案可以满足初期导流洞竖井闸室施工期稳定的要求，计算结果可供实际施工参考。

作者简介：龚华（1981—）男，工程师，从事水电工程设计与管理工作10年，其中5年多主要在两河口工程进行工作。