清河水库第二泄洪洞高地应力洞段锚杆-锚索联合支护研究

(辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 工程概况

清河水库地处辽河-鸭绿江流域辽河水系清河中游，位于辽宁省铁岭市清河区，控制流域面积2376km2。水库设计防洪标准为千年一遇，校核防洪标准为万年一遇，设计洪水位135.10m，校核洪水位138.06m，总库容9.68亿m3。清河水库是一座以防洪、灌溉为主，兼顾工业供水、养鱼、旅游等综合利用的大型水利枢纽工程。

清河水库由大坝、溢洪道、泄洪洞等组成。水库大坝为黏土斜墙砂砾坝，最大坝高40.75m，坝顶高程139.25m，坝顶宽6m，坝顶长1622m；溢洪道为河岸开敞式，为6孔10m×9.50m弧形闸门控制的实用堰，堰顶高程126m，溢流总净宽60m，最大下泄流量4599m3/s；泄洪洞位于大坝左侧，为1孔4.5m×4.5m闸门控制的钢筋混凝土衬砌结构圆形有压洞，进口底高程103.00m，洞长251.80m，设计流量300m3/s。清河水库保护着铁岭市2县(区)25个乡(镇)近百万人、500余万亩农田和长大铁路、哈大公路、京哈高速公路三大交通干线及“八三”石油输油管道、大型火力发电厂等国家重要工程设施等的安全。

1958年7月，清河水库开始建设，1966年9月投入使用。2011年11月进行除险加固主体工程建设，2014年6月通过验收投入使用。

2 工程背景

2005年8月上旬，清河流域发生1次超过百年一遇标准的特大洪水。为保证水库汛期安全运行，拟对清河水库发电厂回水泵房段回水洞进行封堵，与清河水库供水取水头部建筑物相结合设计为第二泄洪洞。改建后的泄洪洞主要由进口段、洞身段和出口消能段组成，全长752m。其中，洞身段采用圆形断面设计，洞径4m。第二泄洪洞改建工程按照500年一遇洪水设计、万年一遇洪水校核。

从项目区地质环境分析，水库工程主要位于长白山构造系，褶皱带活动比较强烈，断层裂隙发育，地质构造十分复杂，其中部分施工段出现大变形，造成局部初期支护变形开裂。该标段泄洪洞开挖初次设计的是利用钢拱架、注浆锚杆以及喷射混凝土并预留变形量实现围岩支护的传统支护方式，但是，由于该段泄洪洞属于高应力软岩隧洞，最大部位可达25MPa，传统支护方式不适合此类隧洞的开挖支护。结合施工实际情况，拟变被动支护为主动支护，通过锚杆-锚索联合支护，同时辅以钢拱架和锚喷，提升围岩和支护体的整体性。

3 锚杆-锚索联合支护机理和方案设计

3.1 锚杆-锚索联合支护机理分析

对于高应力软岩地下工程施工，传统被动支护方式支护效果不理想的主要原因是支护体和围岩难以形成有效耦合。因此，要提高支护效果，首先需要解决的是支护结构和围岩的耦合支护问题。在采用锚杆-锚索联合支护方式时，基于组合梁和悬吊理论，可以最大限度发挥锚杆和锚索的作用，其中，锚杆的主要作用是连接破碎的岩体，通过减小岩块之间的相对滑动提升岩体间的摩擦力，提高围岩的整体性和承载力。鉴于锚杆对围岩深部岩体加固效果不足，可以通过锚索的叠加效应，加大对围岩深部岩体锚固和稳定作用，以适应高应力软岩隧洞非线性变形特点，从而实现支护结构与隧洞围岩在强度、刚度和结构等三方面的耦合。

3.2 支护方案设计

在清河水库第二泄洪洞高应力软岩施工段的锚杆-锚索联合支护设计过程中，隧洞围岩的应力水平以及岩体的参数是设计的关键。因此，研究中基于相关经验数据、前期地质勘测结果以及实验室实验的方法，综合确定研究洞段围岩岩体的物理力学参数(见表1)。根据前期的地质勘测资料，研究洞段的竖向应力为21.5MPa，测压力系数为0.75，水平应力值为16.13MPa。

表1 岩体物理力学参数

根据上述数据资料对联合支护的参数进行合理设计，得到如下的具体设计方案：锚杆选取全长4.50m的φ22 左旋无纵筋等强锚杆，横向和纵向间距均设定为1.20m，锚杆采取全长锚固方式，现场布置与泄洪洞断面垂直。锚杆托板为240mm×240mm×40mm规格的正方形托板。锚索的长度设定为16m，横向和纵向间距均设定为3.50m，在同一横断面的拱顶、边墙、墙角部位设置5根基本锚索，在两侧拱腰部位各设置1根加强锚索。锚索托板采用规格为300mm×300mm×50mm的正方形托板。锚索的锚固长度与锚杆相同，均为4m，在安装完毕后施加600kN的预紧力。锚杆、锚索参数见表2。根据相关理论，形成组合拱是锚杆群在支护过程中承载作用的发挥机理，因此，支护过程中在泄洪洞围岩表面喷射混凝土有助于强化组合拱的支护作用，同时，也可以防止岩体受到外部环境的侵蚀。该次施工设计中，首先利用C25早强混凝土喷涂25cm，待隧道变形积累至一定程度时，再利用C30混凝土衬砌50cm。

表2 锚杆、锚索参数

4 锚杆-锚索联合支护效果数值模拟分析

4.1 数值模拟模型的构建

MIDAS GTS-NX是一款岩土结构分析有限元软件，由迈达斯科技结构软件公司开发。由于本次研究需要基于实际工程背景，对支护结构和围岩进行精细化模拟计算，需要较多的单元网格数量，因此采用MIDAS GTS-NX软件进行建模计算。为了研究锚杆-锚索联合支护效果，利用MIDAS GTS-NX软件构建研究对象的三维有限元模型。结合研究需求以及施工现场的具体情况，确定模型的尺寸为100m×100m×40m。为了满足精细化研究的需求，对模型进行三角形网格划分，对隧洞周边进行网格加密，最终划分为56843个计算网格，23674个计算节点。计算模型的约束条件为：在模型的四个侧面施加水平方向位移约束，模型的底部施加X、Y、Z方向约束，模型的上表面为自由面。根据研究段泄洪洞的应力水平，在模型的上边界施加21.5MPa的竖向应力，同时在两个侧面施加16.13MPa的水平应力，以模拟研究洞段的应力环境。模型计算中的围岩物理力学参数见表1。

4.2 模拟结果分析

为了说明和验证锚杆-锚索联合支护方式的支护效果，研究中设计了未支护、传统锚喷支护以及锚杆-锚索联合支护三种不同的支护方式进行模拟计算。模拟过程中首先对模型施加相应的应力达到平衡状态，然后按照开挖设计方案进行泄洪洞开挖，并按照不同的支护方式进行支护，在围岩稳定之后模拟过程结束。

图1 不同支护方式下拱腰水平位移

图2 不同支护方式下拱顶竖向位移

利用构建的模型对三种不同支护方式下的泄洪洞围岩位移特征进行计算，得到拱腰水平位移和拱顶竖向位移特征曲线(见图1和图2)。由图1可知，当采用锚杆-锚索联合支护方式时，围岩岩体的水平位移量为7.76cm，比未支护工况减小7.91cm，比采取原设计方案中的锚喷支护方式减小2.10cm。说明采取锚杆-锚索联合支护方式可以有效减小隧洞围岩的水平移动，防止围岩岩体由于开挖后的应力改变导致的剪切破坏。同时，由图1还可以看出，泄洪洞围岩的最大水平位移出现在围岩表面，随着围岩岩体深度的增加水平位移量不断减小并趋于平稳。当采用锚杆-锚索支护方式时，围岩10m深度部位的水平位移量基本为零，但是锚喷支护和未支护条件下的位移量趋向于4.50cm和7.50cm，说明围岩深部的岩体仍处于不稳定状态。

由图2可知，未支护条件下的拱顶最大沉降量为16.54cm，采用锚喷支护方式时的拱顶最大沉降量为12.11cm，而采取锚杆-锚索联合支护方式时，拱顶的最大沉降量为10.02cm，为三种支护方式中最小的。由此可见，采用联合支护方式可以起到良好的围岩变形破坏控制作用。同时，由图2还可以看出，泄洪洞围岩的最大沉降位移出现在围岩表面，随着围岩岩体深度的增加沉降位移量不断减小，在深度超过5m后逐步趋于平稳。由此也可以证明，仅依靠锚杆进行围岩支护安全性不够，而利用锚索对深部围岩进行稳定性支护是必要的。

总之，无论从围岩的水平位移和竖向位移来看，采取锚杆-锚索联合支护方式的支护效果比其他两种支护方式的效果要好，说明该方案为最优支护方案。

清河水库第二泄洪洞高地应力软岩泄洪洞锚杆-锚索联合支护研究结论：根据高应力软岩泄洪洞围岩的应力水平以及岩体的参数，提出了锚杆-锚索联合支护的具体设计方案；利用MIDAS GTS-NX软件构建数值模型，对锚杆-锚索联合支护效果进行数值模拟分析，结果显示该方案为最优支护方案。

5 应用情况分析

锚杆-锚索联合支护方式作为一种新型支护方式，可以变被动支护为主动支护，在高应力软岩泄洪洞施工中表现出良好的支护效果。

清河水库第二泄洪洞建设从2016年4月开始施工建设，至2017年10月主体工程完工。在泄洪洞的高地应力软岩隧洞，采取了锚杆-锚索联合支护方式，并按照本文研究的支护参数进行施工。

施工过程中的围岩变形监测数据显示：本文的模拟计算结果与实际情况具有较高的契合度，因此，工程实践证明本次研究采取的方法合适，结论对相关工程施工研究具有一定的借鉴和指导价值。