水工隧洞不同进口型式的围岩稳定性分析研究

丁新潮,刘 斌,张 浩

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065；2.西安理工大学,西安 710048)

文章编号：1006—2610(2015)02—0013—03

水工隧洞不同进口型式的围岩稳定性分析研究

丁新潮1,刘 斌2,张 浩1

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065；2.西安理工大学,西安 710048)

水工隧洞的进水口一般有方形和圆形2种不同的型式，根据实际工程概况、地质条件,利用有限元软件建立2种不同进水口方案的三维非线性分析模型，比较围岩应力、位移、塑性区数值分布范围的结果，得出水工隧洞选用圆形进水口的合理性。

有限元;进水口型式;围岩稳定性；分析

0 前 言

地下工程围岩稳定性问题一直是岩土工程的一个重要的研究内容，而围岩稳定性评价结果的正确与否直接关系到地下工程的成败[1-4]。随着技术和人们认识的发展，在实践中总结出了很多围岩稳定性分析的方法，本文便是应用有限元围岩稳定性分析的方法，解决实际工程问题。

根据一般的工程经验，洞室的断面形状对隧洞稳定性与安全性有明显的影响，所以水工隧洞进水口洞段的体型对其进水口段的围岩稳定产生明显的影响。因为目前还没有大型工程的设计经验和工程实践可以参考和借鉴，需要通过系统的分析，详细对比分析圆形、方形进水口受力条件、运行条件、稳定条件，提出采用圆形进水口的必要性和合理性。

1 工程概况

某水电站工程枢纽主要由面板堆石坝、右岸溢洪道、泄洪放空洞和右岸地下电站厂房组成，以发电为主。水库总库容16.22 亿m3，最大坝高211 m，装机容量2 200 MW，工程规模为Ⅰ等大(1)型工程。挡水、泄水及引水发电等主要建筑物级别为1级，下游消能防护及永久性次要建筑物为3级。泄洪放空洞进水口位于右岸二长岩岩体内，属浅埋式洞式进水口。溢洪道引渠开挖形成3 247.00 m高程大平台后，进水口顶拱最小垂直埋深约24.0 m，左侧围岩最小厚度约40.0 m，右侧距电站进水口引渠底板高程3 223.2 m约30.0 m。由于围岩厚度相对较小，故泄洪放空洞进水口洞段的型式对其围岩稳定产生明显的影响。

泄洪放空洞进水口段(右洞0+000.00 m～右洞0+042.00 m)为中生代二长岩，岩体为弱下风化，隧洞天然埋深为65.0～78.0 m，工程开挖后实际埋深为24.0～43.0 m。围岩类别为Ⅲ1类[5]，基本满足隧洞成洞要求。但二长岩中断层及裂隙较发育，局部存在不稳定的块体组合。泄洪隧洞进口处岸坡主要由3种岩性组成，下部为三叠系变质砂岩及中生代二长岩岸坡，顶部为第三系砾岩岸坡，砾岩不整合于下伏二长岩之上。进口洞脸边坡上部第三系砾岩为强风化Ⅳ类岩体，边坡整体稳定；下部位于强～弱风化二长岩内，为Ⅳ～Ⅲ2类岩体，边坡整体稳定。

2 计算模型的建立

使用有限元软件ABAQUS，建立三维非线性有限元分析模型。三维有限元网格单元边长总体规定为：钢筋混凝土衬砌结构0.2～0.3 m，锚杆加固区域岩体1.0～2.0 m，外围岩体2.0～6.0 m。

2.1 分析区域与边界

(1) 沿水流方向，分析范围取为泄洪放空洞进水口段开挖洞径约4.0倍。即，泄洪放空洞结构进水口段最上游边界(开挖边界上游侧)向上游取45.0 m，泄洪放空洞结构进水口段最下游边界(开挖边界下游侧)向下游取65.0 m。

(2) 竖直方向(高程)，底部分析区域边界，取泄洪放空洞底板最低处以下50 m，约为4.5倍泄洪放空洞进水口段开挖洞径，向上取为地表。

(3) 垂直于水流的水平方向上。对于左边界，上部取至原始地面边界自由面，下部取为4.0 倍洞径，约为60.0 m。对于右边界，取为4.0 倍洞径，约为60.0 m，引水渠开挖后形成临空面。

分析区域的坐标轴方向分别定义为：以水流方向为X轴正方向；以铅直高度方向向上为Z轴正方向；以垂直于水流的另一水平方向上(指水流方向的右侧)为Y轴正方向。如图1所示。

图1 泄洪放空洞进水口段有限元模型分析区域图 单位：m

2.2 圆形进水口方案模型

该进口整体为圆形过水断面和圆形开挖断面。过水断面为直径20 m的圆形，按照双曲线缩小后到桩号， 过水断面为直径12 m的圆形断面。整体分析模型用于模型围岩体。图2为圆形进水口方案衬砌结构体型图和分析围岩区域有限元网格图。

2.3 方形进水口方案模型

该进口主要特征为前一段以双曲线矩形缩小，再有矩形断面过渡到圆形断面。过水断面为边长20 m的矩形断面，按照双曲线缩小为边长12 m的矩形断面。整体分析模型用于模型围岩体。图3为方形进水口方案衬砌结构体型图和分析围岩区域有限元网格图。

图2 圆形进口模型图

图3 方形进口模型图

2.4 围岩参数

根据实际工程地质条件以及参照类似的工程围岩力学参数选取，如表1所示。

表1 围岩体物理力学参数取值表

3 围岩稳定性分析

分析在无支护条件下，圆形和方形进口段开挖后围岩的稳定性状，也就是毛洞条件下围岩稳定性状。实际工程中，无支护情况下，施工期主要关注围岩稳定性，描述围岩稳定性主要指标有：围岩位移、围岩主应力、围岩塑性区等。

3.1 围岩位移对比分析

表2给出了无支护条件下进水口施工期围岩特征点位移比对情况，从表中可知，洞顶竖直向下方向，圆形方案的位移为11.2 mm，矩形方案为15.7 mm，矩形方案较圆形方案增加40.18%；左边墙水平向，圆形方案的位移为9.96 mm，矩形方案为14.6 mm，矩形方案较圆形方案增加46.59%；右边墙水平向，圆形方案的位移为8.62 mm，矩形方案为14.9 mm，矩形方案较圆形方案增加72.85%。

表2 无支护条件下进水口施工期围岩特征点位移比对表 /mm

3.2 围岩应力对比分析

表3给出了无支护条件下进水口开挖后围岩特征点主应力比对情况，从表中可知，对于第一主应力，圆形方案的最大值0.84(拉)，矩形方案的最大值为1.54(拉)，对于第三主应力，圆形方案的最大值为0.13(压)，矩形方案的最大值为0.09(压)。

表3 无支护条件下进水口开挖后围岩特征点主应力比对表 /MPa

3.3 围岩塑性区分布对比分析

图4(a)、(b)分别给出了无支护条件下，圆形方案、方形体型方案泄洪放空洞进口段(桩号0+010 m)断面，开挖后围岩塑性区分布图。从图4(a)中可知，对于圆形进水口方案，洞周围岩的塑性区最大深度约有6～7 m。对于方形体型进水口方案，洞周围岩塑性区的最大深度约有14～16 m。

图4 圆形和矩形方案开挖后围岩塑性区云图

4 结 语

采用ABAQUS有限元分析泄洪放空洞不同进水口的围岩稳定性研究，圆形方案洞顶部竖直向下、左边墙水平、右边墙水平等特征位移分别为11.2 mm、9.96 mm、8.62 mm，而方形方案的位移相应增加40.18%、46.59%、72.85%。方形方案围岩最大拉应力为1.54 MPa，较圆形方案增加约1倍，最大压应力为8.32 MPa，减小约30%。方形体型方案的围岩塑性区较圆形方案增加约有1倍的深度。从围岩变形、最大拉应力以及塑性区等方面来看，无支护条件下，方形体型方案围岩不稳定，而圆形体型方案围岩整体上基本稳定。从无支护条件、围岩位移、应力以及塑性区等方面比较，均表明圆形方案优于方形方案。

[1] 许传华,任青文,李瑞.地下工程围岩稳定性分析方法研究进展[J].金属矿山,2003,(2):36-39.

[2] 李锡均,杨绍良,何付明.水利水电工程地下洞室围岩稳定性分析评价方法研究[J].西部探矿工程,2007,(11):167-171.

[3] 张里程.巷道围岩稳定性分析研究的现状与存在的问题[J].徐州工程学院学报,2005,(3):30-33.

[4] 郑颖人,邱陈瑜,张红,王谦源.关于土体隧洞围岩稳定性分析方法的探索[J].岩石力学与工程学报,2008,(10):1968-1980.

[5] 刘斌,傅金筑,王永宙,杨洋,李明刚,龚会志.橙子沟施工阶段围岩工程地质分类法初探[J].西北水电，2010，(02)：25-31，64.

Study on Analysis of Stability of Surrounding Rock of Different Intake Type of Hydraulic Tunnel

DING Xin-chao1, LIU Bin2, ZHANG Hao1

(1. POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China;2. Xi'an University of Technology, Xi'an 710048,China)

The intake of the hydraulic tunnel is classified two types in shape: square and round. In accordance with actual engineering situation and geological conditions, 3D non-linear analysis models for two different intakes are established by application of the finite element software. stress, displacement and value distribution scope of the plastic zone of the surrounding rock are compared. Finally, rationality of the selection of the round intake of the hydraulic tunnel is derived.

finite element; power intake type; stability of surrounding rock; analysis

2014-08-20

丁新潮(1976- ),男,湖北省孝感市人,高级工程师，主要从事水电工程设计工作.

TV672.1；TV698.11

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.004