开挖及衬砌对泄洪洞围岩稳定性影响

牛岩 魏雨露

摘 要：为研究某水电站泄洪洞开挖、衬砌等施工过程对洞周围岩稳定性的影响，本文通过对泄洪洞桩号0+120至0+320的一段进行数值模拟分析，利用有限元软件ANSYS建立模型并剖分网格，利用有限差分软件FLAC3D对其进行开挖、施加衬砌计算，通过洞周位移、应力来分析由于开挖造成的地应力释放以及施加衬砌对洞周围岩稳定性的影响。

关键词：泄洪洞;FLAC3D;开挖;衬砌

中图分类号：S27       文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190830010

引言

在埋深较大且围岩强度较低的情况下，隧洞在开挖后需施加一定的支护措施以保证围岩稳定，衬砌就是为了加强隧洞的稳定性，使用钢筋混凝土等材料，在隧洞的坑道周缘修筑的一个保护层[1，2]。

衬砌的修筑可以增强隧洞与周围岩体的稳定性，也可以防止与隧洞外围岩体相接触，使其形成一个隔离层，隔绝水和空气，防止被水或空气冲刷、风化;形成光滑的湿周，使糙率减小，改善周围水流，使单位横断面流量增大，减小了隧洞的单位造价;形成隔水层，减少隧洞和周围围岩的相互渗流;承载围岩外部荷载，内部荷载等。通过数值模拟方式来研究隧洞施加衬砌对围岩稳定性的影响是目前地下工程的热点之一。

1 工程概况

某水电站是以发电为任务的单目标工程，是波得藏布流域梯级开发的第三级电站，坝址控制流域面积2453km2，年平均流量132m3/s。泄洪建筑物主要有洞室溢洪道和泄洪洞（兼导流洞）。泄洪洞总长536.66m，为圆形隧洞，洞径10m，导流期采用现浇混凝土衬砌，衬砌厚度0.8m，存在断层和破碎带。桩号0+120至0+320段下部岩体为Ⅲ类岩石，上部为Ⅳ类岩石，断层和破碎带为Ⅴ类岩石[3-7]。

2 三维数值模型及计算参数的选取

隧洞断面型式为圆形，洞径10m，埋深400m，在垂直洞轴线方向模型范围大于5倍洞径。Y轴平行于隧洞轴线，X轴竖直向上，采用ANSYS软件建模，网格划分采用实体单元SOLID45，共剖分116906个单元，节点总数123283个。

模型底部约束三向位移，四周约束水平位移，顶部模型建立到地表以模拟上部岩体自重作用，围岩以Ⅲ、Ⅳ类岩体为主，断层及破碎带为Ⅴ类岩石，衬砌采用C40混凝土。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类岩石和混凝土的材料力学参数见表1。

FLAC3D软件计算中体积模量和剪切模量参数的计算公式为[8-9]：

体积模量K=E/[3（1-2μ）]

剪切模量G=E/[2（1+μ）]

3 结果分析

3.1 初始地应力场

在地下工程领域中，初始地应力场的存在和影响不容忽略，它既是影响岩体力学性质的重要控制因素，也是岩体所处环境条件下发生改变时引起变形和破坏的重要力源之一。因此，要想较真实地进行工程模拟仿真，就必须保证初始地应力场的可靠性。初始地应力场生成的主要目的是为了模拟所关注分析阶段之前围岩、土体已存在的应力状态。图1为初始地应力场云图，显示指标为竖直方向上的位移。

3.2 开挖和衬砌

生成初始地应力场后，即可进行开挖、施加衬砌的模拟计算。综合考虑断层位置，对于开挖后和施加衬砌后的位移和应力的分析主要考虑以下2个切面：面1，过点（0，40.62，0）垂直于y轴，即垂直洞轴线靠近断层的一个面。面2，过点（0，0，55）垂直于z轴，即平行于洞轴线的竖直平面。

3.2.1 位移和应力

图2～9为所选2个面在开挖后和施加衬砌后的竖直位移和最大主应力云图。表2为对应的数据表。

从表2中可以看出面1洞顶处最大位移-2.34×10-3m，洞底2.38×10-3m，衬砌后最大位移-6.8×10-5m，有明显改善。最大主应力开挖后为-1.21Mpa，衬砌后为-1.04Mpa，应力也有所改善。面2洞顶处最大位移-3.01×10-3m，洞底2.93×10-3m，衬砌后最大位移-7.27×10-5m，有明显改善。最大主应力开挖后为-1.33Mpa，衬砌后为-1.24Mpa，应力也有所改善。

从以上分析可以看出，隧洞开挖后，由于开挖面的瞬间卸荷，使洞周围岩产生较大的位移和应力，对洞周围岩稳定性有不利的影响，施加衬砌后，可有效防止这一现象，对保证洞周围岩稳定性有很大促进作用。

3.2.2 塑性区

塑性区是由于洞周荷载产生压力超过围岩极限承载力，使局部土体产生变形不可恢复的屈服区域，图10～13为开挖后和衬砌后所选2个分析面的塑性区情况，从图中可以看出，开挖后，洞周及断层附近的塑性区较大，而施加衬砌后，对隧洞周围由于开挖导致的塑性变形有明显改善。

3.2.3 变量监测

在开挖和施加衬砌的计算过程中对以下变量进行监测：

图14和图15显示洞底离圆心5.8m、8m、11m、14m处竖直方向位移（依次为黑色、红色、蓝色、绿色。下同）

从图中可以看出，在距离开挖位置越近的地方，产生的位移越大，这是因为距离开挖位置越近，应力释放越大，受开挖卸荷影响越大。而施加衬砌后，从图中可以看出，各个监测点的位移有明显降低，因此在隧洞开挖工程中，应及时施加衬砌，以保证洞周围岩的稳定性。

4 总结

通过数值模拟软件对某水电站泄洪洞进行数值开挖和衬砌计算，计算结果显示，开挖后洞顶处最大位移为-2.34×10-3m，洞底为2.38×10-3m，施加衬砌后最大位移-6.8×10-5m，说明施加衬砌后洞周位移明显减小，洞周围岩稳定性有明显改善;开挖后洞周最大主应力为-1.21Mpa，施加衬砌后为-1.04Mpa，应力有所改善;开挖后洞周及断层附近围岩塑性区范围较大，施加衬砌后塑性区范围明显减小。分析得出，施加衬砌后对隧洞围岩的位移、应力及塑性区均有所改善，能保证隧洞开挖后的围岩稳定性。

参考文献

[1] 王梦恕.21世纪是隧道及地下空间大发展的年代[J].西部探矿工程，2000（01）：7-8.

[2] 高谦，乔兰，吴顺川，杨素珍.地下工程系统分析与设计[M].北京：中国建材工业出版社，2005.

[3] 汪振，沈顺，彭育，黄维. 波堆水电站泄洪建筑物布置设计[J]. 浙江水利科技，2017，45（05）：54-56.

[4] 杨勋. 波堆水电站工程建设管理[C]. 2015年11月建筑科技与管理学术交流会论文集，2015：2.

[5] 尼伧娜. 浅析波堆水电站坝址区右岸冰碛物的形成及其工程特性[J]. 西北水电，2014（05）：14-17.

[6] 王永红，高建. 控制性水泥灌浆在西藏波堆水电站围堰防渗工程中的应用[J]. 四川水力发电，2014，33（02）：65-67，79，172.

[7] 马智法，史光宇，隋伟，郭洪娟. 波堆水电站沥青混凝土配合比试验研究[J]. 东北水利水电，2013，31（12）：52-55.

[8] 彭文斌.FLAC3D實用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

[9] 陈育民，徐鼎平.FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2008.