输水隧洞V级围岩洞段开挖进尺数值模拟研究

2020-04-22易斌华

水利技术监督 2020年2期

易斌华，邹芳

(1.江西富邦建设有限公司，江西九江 332400；2.江西长华建设工程有限公司，江西南昌 330100)

1 工程背景

某输水工程主要由取水头部、预处理厂、加压泵站、净水厂、输水管线和输水隧洞组成，管线全长81km，设计日引水能力30万m3/d。工程的输水隧洞为长1662m的无压自流隧洞，进口和出口的洞底高程分别为193.3和192.4m。隧洞断面为城门洞型设计，隧洞的进口和出口部位设置有连接井。根据施工前的地质勘测资料，输水隧洞大部分洞段的工程地质条件良好，仅在穿越D11断层部位的围岩状态较差，主要为IV级到V级岩体，给隧洞的开挖施工带来一定的挑战。为保证施工的顺利进行，本文利用数值模拟的方法，对隧洞的开挖进尺进行优化研究，以期为施工设计提供必要的参考。

2 FLAC3D有限元计算模型的构建

2.1 FLAC3D有限差分软件

FLAC软件是美国ITASCA公司研发的一款仿真计算软件[1]，该软件目前有二维和三维2个版本，其中，FLAC3D三维有限差分程序是FLAC2D二维有限差分程序的拓展，主要应用于岩土体及各种相关材料的三维结构受力数值模拟研究。由于FLAC3D有限差分软件采用的是显式拉格朗日算法以及混合-离散分区技术，因此不需要构建刚度矩阵就能实现对材料三维结构受力的准确模拟[2]。所以，利用该软件可以通过较小的计算量解决比较复杂的三维数值模拟问题。基于此，本次研究选择FIAC3D有限差分软件进行大风口水库新建输水隧洞的有限元模型构建，并展开相关研究。

2.2 有限元计算模型的构建

结合某引水工程输水隧洞V级围岩洞段的地质情况，选择Z2+143断面作为典型断面进行模型的构建。该断面埋深为96m，开挖断面为城门洞型，断面尺寸为2.8m×3.0m。根据相关理论和工程实践经验，地下洞室工程开挖施工过程中5倍洞径范围内的影响不会超过1%[3]。基于研究的精度和有限元离散误差的要求，本次研究选择10倍洞径作为模型的计算范围。

在计算模型构建过程中，以引水隧洞指向下游的方向为Y轴正方向，以与Y轴垂直指向右侧的方向为X轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向，以隧洞中心点为坐标原点。对构建的模型利用六面体8节点等参单元模拟隧洞的围岩岩体，利用Mohr-Coulumb模型对围岩的弹塑性变形特征进行模拟[4]；锚杆则利用弹性本构模型进行模拟[5]。对构建的模型采用6面体8节点平面应变单元进行网格剖分，网格平均尺寸为4m，隧洞附近的围岩区进行网格加密，选取平均边长为0.8m的网格单元，最终生成12367个网格单元，14560个计算节点。模型的网格划分示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

2.3 约束条件与计算参数

FLAC3D有限元软件提供了压力、温度、速度、位移支撑等多种形式的模型边界条件[6]。在本文研究中，基于研究对象的实际特点和研究目的，选择位移和应力边界条件。结合研究洞段的地质和围岩参数，将0.85MPa的法向均布荷载施加于模型的上边界，以模拟开挖部位上部岩层自重。在模型的两侧施加1.04MPa的水平应力；模型的上部不施加位移约束，左右两侧为水平位移约束，底部施加竖向位移约束[7]。研究采用相关工程经验值和试验结果相结合的方式获得围岩岩体和支护结构的物理力学参数，结果见表1[8]。

表1 模型材料计算参数

2.4 计算方案设计

根据施工设计，输水隧洞的V级围岩洞段采用微台阶开挖法进行施工。显然，开挖进尺设计值过小，不利于提升工程施工效率，进而加大工程施工成本，如果开挖进尺设计值过大，则容易诱发巨大的工程安全风险。鉴于此，研究结合相关施工经验以及理论研究成果，设计0.5、1.0、1.5、2.0m四个不同的开挖进尺，利用构建的数值计算模型对不同开挖进尺下的围岩位移和应力进行计算，并根据计算结果获得最佳开挖进尺。

3 计算结果与分析

3.1 围岩位移计算结果与分析

利用上节构建的有限元计算模型，对上述4种不同工况下的输水隧洞围岩变形进行模拟计算，其中拱顶沉降变形及沿纵向变化如图2—3所示。由图2—3可知，研究洞段的拱顶沉降会随着开挖进尺的增大而增大，同时增大的速率也有一定程度的增加。具体而言，0.5、1.0、1.5、2.0m四个不同的开挖进尺下的拱顶沉降量分别为22.56、26.35、30.89、36.21mm。开挖进尺为1.0m时，拱顶沉降变形比0.5m开挖进尺增加3.79mm，增加了16.80%；开挖进尺为1.5m时，拱顶沉降变形比1.0m开挖进尺增加4.54mm，增加了17.23%；开挖进尺为2.0m时，拱顶沉降变形比1.05m开挖进尺增加5.41mm，增加了17.51%。

图2 不同开挖进尺拱顶沉降纵向变化曲线

图3 不同开挖进尺下拱顶沉降图

3.2 围岩应力计算结果分析

利用上节构建的有限元计算模型，对上述4种不同开挖进尺下的输水隧洞围岩的拱顶、拱肩以及拱腰3个典型部位的第一主应力进行模拟计算，获得如图4—6所示第一主应力纵向变化曲线。不同开挖进尺围岩最大主应力的变化曲线如图7所示。

由图4—7中的变化规律可知，随着开挖进尺的增大，研究洞段围岩各个典型部位的第一主应力值也呈现出不断增大的态势，并逐步由原来的受压状态转变为受拉状态。从不同开挖进尺的具体情况来看，当开挖进尺设定为0.5m的情况下，隧洞围岩的拱肩部位没有出现拉应力，但是拱顶与拱脚部位出现了拉应力；在开挖进尺增大到1.0m的情况下，隧洞围岩的3个典型部位的第一主应力值继续增大，同时隧洞的拱肩部位也出现了比较明显的拉应力，但是此时的拉应力值并没有超过围岩本身的抗拉强度，说明开挖过程中围岩不会在拉应力的作用下产生失稳破坏。但是，当开挖进尺为1.5m时，围岩应力就会超过围岩岩体的抗拉强度极限，研究洞段的围岩在各个典型部位均会产生比较明显的受拉破坏。当开挖进尺为2.0m时，隧洞围岩的拉应力值持续增大，研究洞段的围岩受拉破坏的区域也进一步扩大。

图4 不同开挖进尺拱顶第一主应力变化曲线

图5 不同开挖进尺拱肩第一主应力变化曲线

图6 不同开挖进尺拱腰第一主应力变化曲线

图7 不同开挖进尺最大主应力变化曲线

综上所述，研究洞段的位移变形与应力会受到开挖进尺的明显影响。首先，研究洞段的拱顶沉降会随着开挖进尺的增大而增大，同时增大的速率也有一定程度的增加。同时，研究洞段围岩各个典型部位的第一主应力值也呈现出不断增大的态势，并逐步转变为受拉状态。在开挖进尺为1.5m时，围岩的拉应力值超过围岩岩体的抗拉强度极限，研究洞段的围岩在各个典型部位均会产生比较明显的受拉破坏。因此，研究洞段开挖施工的安全进尺为1.0m。