应力释放率对弧形门竖井闸室初期支护的影响研究
2017-01-21孔科汤雷郭长江
孔科，汤雷，郭长江
(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都，610072)
应力释放率对弧形门竖井闸室初期支护的影响研究
孔科，汤雷，郭长江
(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都，610072)
长河坝水电站中期导流洞弧形门竖井闸室地质条件复杂，分层开挖过程中围岩的应力释放率直接影响初期支护和后期支护的参数。本文基于ABAQUS有限元软件，建立了中期导流洞弧形门竖井闸室的三维有限元模型，采用摩尔－库伦(Mohr－coulomb)屈服准则、非关联流动法则，对闸室竖井的开挖与支护进行了全过程模拟，研究了围岩开挖后的应力释放率对初期支护的影响。
竖井闸室 应力释放率 非线性 非关联流动 有限元 应力与变形 长河坝水电站
1 工程背景
长河坝水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，为大渡河干流水电梯级开发的第10级电站，上接猴子岩水电站，下接黄金坪水电站。工程坝址上距丹巴县城85km，下距沪定县城50km，距成都约360km。库坝区有省道S211公路相通，并在瓦斯河口与国道318线相接，交通较方便。长河坝水电站开发任务以单一发电为主，无航运、漂木、防洪、灌溉等综合利用要求。坝址处控制流域面积56648km2，占全流域面积的73.2%，多年平均流量843m3/s。
电站枢纽建筑物主要由砾石土心墙堆石坝、地下引水发电系统、2条开敞式泄洪洞、1条深孔泄洪洞和1条放空洞等组成。河床坝基覆盖层最大厚度53m，拦河大坝最大坝高240m，电站总装机容量2600MW，正常蓄水位1690m，正常蓄水位以下库容10.15亿m3，水库总库容10.75亿m3，具有季调节能力。
中期导流洞由进水塔、有压洞段、弧形闸门工作室、无压洞段和出口挑流坎段组成。有压洞段后接弧形门竖井闸室，最大跨度20m左右，高度42m左右。闸门室内设置弧形工作闸门，孔口尺寸为7.0m×8.5m(宽×高)。弧形闸门启闭设备安装高程1570.50m，设置闸室交通洞相连。交通洞断面均为5.2m×5.6m(宽×高)的城门洞型。弧形闸门室后接无压洞段。
本文基于ABAQUS大型有限元软件，建立了中期导流洞弧形门竖井闸室的三维有限元模型，采用摩尔－库伦(Mohr－coulomb)屈服准则、非关联流动法则，对闸室竖井的开挖与支护进行全过程模拟，研究围岩开挖后的应力释放率对初期支护的影响。
2 计算原理
2.1 本构模型
Mohr－Coulomb屈服准则反映了岩土材料在屈服时与球应力和偏应力相关的特性，在岩土工程界广泛应用。
设σ1≥σ2≥σ3，那么Mohr－Coulomb屈服准则以主应力的形式表示为:
以应力不变量的形式可表示为:
其中，c为粘聚力；ϕ为内摩擦角；I1为应力张量第一不变量；J2为偏应力张量第二不变量；θσ为应力Lode角。
2.2 计算方法及模拟过程
在有限元计算中，洞室开挖时围岩的应力属于完全释放，在不考虑围岩蠕变的情况下，洞室开挖结束时的变形为洞室最大变形。如果此时就浇筑喷混凝土及衬砌混凝土，那么混凝土浇筑完成时的形状就是洞室变形结束的形状，该部分变形被强迫附加于衬砌上，衬砌上的结构应力就比实际大很多。本文计算中，衬砌浇筑前围岩的应力释放率分别按100%和60%考虑，竖井闸室内围岩开挖临时支护中的锚杆按1.0m、2.0m间距分别进行计算。
计算中模拟了初应力场模拟、闸室竖井段洞室开挖与围岩应力释放及锚杆施工等过程，具体施工模拟过程见表1。
表1 施工模拟过程
2.3 计算荷载及材料参数
中期导流洞竖井闸室段的围岩类别，从下向上分别为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，其物理力学参数见表2。
表2 计算中选取的材料参数
中期导流洞弧形门竖井闸室段，主要计算荷载包括围岩自重和锚杆自重等，不考虑地下水的渗透水压力。
2.4 支护设计
竖井闸室弧形闸门前的有压洞段为7m× 9.5m(宽×高)的城门洞型。由于该段处于Ⅲ类围岩中，边墙与顶拱采用10cm厚的C25喷混凝土结合锚杆(C25，L＝4.5m；C28，L＝6.0m，间排距2.0m，梅花形布置)进行浅层支护。
竖井闸室弧形闸门后的无压洞段为7m× 12.0m(宽×高)的城门洞型。由于该段围岩类别为Ⅲ类，边墙与顶拱采用10cm厚的C25喷混凝土结合锚杆(C25，L＝4.5m，间排距2.0m，梅花形布置)进行浅层支护。
竖井闸室位于桩号 0＋315.00m ～0＋345.00m，参照闸室前段导流洞对锚杆布置加密，边墙与顶拱初拟采用10cm厚的C25喷混凝土结合锚杆(C25，L＝4.5m；C28，L＝6.0m，间排距1.0m，梅花形布置)进行浅层支护。
竖井闸室左侧高程1570.50m布置有交通洞，围岩类别为Ⅲ类，断面尺寸6m×6.3m(宽×高)，边墙与顶拱采用厚10cm的C25喷混凝土结合锚杆(C25，L＝3.0m，间排距2.0m，梅花形布置)进行浅层支护。
3 有限元计算模型
依据弧形门闸室实际的地质条件，建立了三维有限元模型。中期导流洞顺水流水平向为X轴正向，竖直向上为Y轴正方向。中期导流洞竖井闸室段、交通支洞衬砌与支护见图1～图3。
模型在X方向的桩号范围为0＋295.000m～0＋365.000m(其中:0＋315.000m～0＋345.000m为弧形门竖井闸室；0＋295.000m～0＋315.000m为上游渐变段；0＋315.000m～0＋345.000m为下游渐变段)；Y方向范围为高程 1500.00m～1864.64m；Z方向计算范围长度为80.0m。共划分单元116647，节点109581。有限元模型见图4。
图1 竖井闸室结构剖面
图2 竖井闸室交通洞典型断面支护
图3 闸门竖井段导流洞初期支护(顶拱布置相同)
图4 有限元计算模型
4 计算结果分析
4.1 位移结果
图5～图7给出了在竖井闸室开挖结束的状态下不同的应力释放率时，闸室周边围岩的位移结果。
图5 闸室开挖结束围岩顺水流向位移
图6 闸室开挖结束围岩垂直位移
图7 闸室开挖结束围岩垂直水流向位移
应力释放率为60%时，顺水流向最大水平位移为1.915mm；垂直向最大位移为6.893mm，产生于导流洞与竖井闸室相连处的两面临空开挖断面处；垂直水流向水平位移最大约3.5mm，产生于闸室中下位置。
应力释放率为100%时，顺水流向最大水平位移为3.228mm；垂直向最大位移为12.15mm，产生于导流洞与竖井闸室相连处的两面临空开挖断面处；垂直水流向水平位移最大约6.52mm，产生于闸室中下位置。
4.2 围岩塑性区
图8，图9给出了在竖井闸室开挖结束的状态下不同的应力释放率时，闸室周边围岩塑性区结果。
根据以上的计算结果可知，在竖井闸室开挖结束的状态下，围岩的塑性区主要分布在交通支洞与竖井闸室交界处、竖井闸室与导流洞相连的渐变段周围，塑性区深度较浅，对围岩稳定性有利。应力释放率越大，围岩的塑性区越大，即浅层支护施工的时间对洞周围岩的松动圈有一定的影响，浅层支护应及时实施。
图8 闸室开挖结束围岩塑性区分布(纵剖面)
图9 闸室开挖结束围岩塑性区分布(横剖面)
4.3 锚杆应力
图10～图15给出了在开挖各阶段不同的应力释放率下的锚杆应力。
表3 开挖各阶段锚杆应力峰值(单位:MPa)
图10 交通支洞开挖结束
图11 竖井闸室第一层开挖
图12 竖井闸室第二层开挖
图13 竖井闸室第三层开挖
图14 竖井闸室第四层开挖
图15 竖井闸室第五层开挖
应力释放率为60%时，交通支洞中的锚杆最大应力为59.04MPa，闸室竖井顶拱处在闸室开挖中锚杆的最大应力为81.90MPa，中期导流洞与闸室竖井之间的渐变段顶拱中锚杆应力最大达251.3MPa。
应力释放率为100%时，交通支洞中锚杆的最大应力为98.93MPa，竖井闸室顶拱处在闸室开挖中锚杆的最大应力为120.05MPa，中期导流洞与闸室竖井之间的渐变段顶拱中锚杆应力最大达401.0MPa。
5 结论
根据对不同应力释放率下中期导流洞弧形门竖井闸室围岩变形、塑性区分布及系统锚杆的应力等方面的研究，可得出如下结论:
(1)竖井闸室围岩最大位移产生于导流洞与竖井闸室相连处的两面临空开挖断面处，但位移值均较小。应力释放率对围岩的变形影响较大；
(2)应力释放率越大，围岩的塑性区越大，即浅层支护施工的时间对洞周围岩的松动圈有一定的影响，浅层支护应及时实施；
(3)应力释放率越大，系统锚杆所承担的力亦越大。交通支洞与竖井闸室在开挖过程中喷锚临时支护能很好地满足需求，但竖井闸室上游侧渐变段附近浅层支护需加强。
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TV662∶TV554.12∶O241.82
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2095－1809(2016)05－0059－06
孔科(1984－)，男，博士，主要从事水工结构设计及岩土工程数值仿真研究。
