岔洞围岩及衬砌结构受力特性离散元数值计算分析

钱军刚

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概述

水利水电工程中，输水岔洞部分的围岩稳定关系到整个水利工程的安全性及正常使用状况。一般情况下，针对地下隧洞衬砌可采用传统力学方法进行简化计算。然而，岔洞空腔体型随轴向变化，其边界条件较为复杂，若采用简化计算方法，二维计算将岔洞简化为平面应变问题，忽略了岔洞的轴向作用，计算精度无法确定。因此，采用数值计算方法进行岔洞稳定性计算是解决该问题的重要途径。

国内有学者曾做了研究：郭海庆等应用弹塑性有限元法，对岔洞围岩开挖后围岩应力、位移及塑性屈服范围做了计算，为岔管施工、支护提出了工程建议。林鹏等运用FLAC3D有限元软件，依托于官地水电站，计算出了尾水岔洞围岩的应力、变形及塑性屈服区，分析了衬砌及锚杆的受力状态，评价了喷锚支护措施的效果，为岔洞稳定提出了相应的措施。貊祖国采用有限元软件计算分析了岔管围岩受力特性，为相关设计施工提出了建议和指导。刘先珊等依托于乌江渡水电站扩机工程，运用ANSYS有限元软件，对三维尾水隧洞进行了弹塑性计算，重点研究了不同应力释放比例条件下的支护方案，为尾水岔洞的计算分析指出了发展方向。

以上学者在岔洞分析方面做了值得肯定的研究，其研究成果对岔洞工程的设计具有重要意义。但基于离散元发方法的岔洞分析较为缺乏，岔洞部分围岩特性分析仍需深入。因此，本文基于新疆某水利枢纽，采用离散元数值模拟软件，计算分析岔洞围岩及衬砌的受力特性及稳定性，为工程设计提供计算依据。

2 模型建立

2.1 工程概况

新疆某水电站拟采用地下厂房形式，各机组发电尾水由支洞汇流于尾水主洞。发电尾水洞采用城门洞型断面，汇流岔洞形式采用“卜”形。尾水洞埋深150.0m，岔洞区围岩类别为Ⅲ类，尾水主洞与支洞夹角为48.0°，尾水主洞、支洞开挖尺寸及支护尺寸如图1所示，衬砌混凝土采用C30。

图1 结构尺寸示意图(单位：mm)

2.2 离散元数值模型

根据解析理论，建立边长为100.0m的立方体模型可满足计算精度，具体几何特征如图2(a)所示。采用离散元软件为模型划分网格，共计227058个单元，如图2(b)所示。

图2 几何模型及网格划分

3 材料参数及边界条件选取

为精确计算和描述岔洞围岩的受力特性和稳定特性，本文采取弹塑性本构模型进行计算分析。岩体材料选取Mohr-Cuolomb模型，重点考虑岩体的剪切破坏。

数值计算中，物理力学参数的选取常常影响到计算的准确性，因而，选取适当的围岩及衬砌参数是分析岔管围岩、衬砌稳定性及受力特性的根本保证。为此，基于现场采集岩样，围岩试验测定。由室内岩块试验得出围岩力学参数的建议取值范围，进一步得出结构的力学参数，见表1。

模型四周采用固定速度边界，底面采用垂直向固定速度边界，上表面施加应力边界。

表1 围岩及衬砌力学参数

4 计算结果及分析

运用离散元数值模拟软件，岩体材料选取Mohr-Cuolomb模型，对所建立的模型进行地应力平衡-开挖-衬砌数值计算，以得到岔洞围岩及衬砌结构应力场、位移场，进而分析其稳定性及受力特性。本文根据尾水洞岔管结构的几何特性，分析岔管3个具代表性的典型断面计算结果。其中，1#断面为岔洞分叉处；2#断面为距分差处4.0m；3#断面为距分差处7.0m。

4.1 围岩应力场分析

经离散元数值软件模拟计算，得出围岩应力场及位移场。限于篇幅，分析3个具代表性的典型断面处围岩的应力、位移云图，以反映三维岔管结构的真实力学特性。如图3所示。

从图3(a)可以看出：洞周岩体应力水平较高，底边及顶拱处均出现一定的拉应力区，尤其是主洞与岔洞交界处，出现拉应力集中现象。从图3(b)可以看出：围岩腰拱处最小主应力较大。最小主应力最大值位于3#断面支洞腰拱一定深度处，表现为压应力，最值为6.5MPa。图3(c)为围岩位移云图，由图3(c)可知，隧洞底板以及拱顶位移较大，与拉应力分布一致。经分析，在地应力作用下，岔管顶拱的拱效应使得该部位围岩受拉；中部围岩开挖后，在应力重分布的作用下，底板向上隆起，产生局部拉应力。

4.2 围岩塑性区分析

图4给出了典型断面处围岩塑性区分布情况。

从塑性云图中可以看出，岔洞围岩在一定应力水平作用下进入塑性屈服状态。岔洞围岩腰拱处塑性区较为发育，且主洞拱底处出现拉涨破坏。围岩腰拱部位围岩可能出现开裂、掉块现象。从水平截面看出，岔洞口分岔部位围岩塑性破坏深度较大。整个尖角部位均可能出现围岩塌落现象。

4.3 衬砌应力场分析

图5、图6给出了3#典型断面处拉应力、位移分布情况。

由图5—6可以看出，衬砌结构在受到围岩作用后，产生一定的应力水平及位移量。根据衬砌拉应力云图可以看出，衬砌结构在底部围岩的隆起作用下，衬砌结构底板以及侧墙处受拉应力。通过衬砌结构位移矢量云图可以看出，3#断面内主洞腰拱处位移最大，方向斜向内部。

5 讨论

本文依托于新疆某水利枢纽工程，采用离散元数值模拟方法，基于Mohr-Cuolomb弹塑性本构模型，对地下厂房尾水洞岔管进行了计算分析，针对计算所得围岩及衬砌结构的应力、位移、塑性特征进行讨论分析。

根据围岩应力云图可知，围岩压应力最值位于岩体内部，从应力数值上可以反映出洞壁腰拱处围岩出现屈服应力释放现象，围岩发生破坏。同时，顶拱处拉应力集中，拉应力值约为0.50MPa，因此，实际工程开挖过程中，应警惕顶拱处拉裂破坏，造成围岩掉块，致使施工期存在安全隐患。为此，岔洞围岩开挖后宜及时进行锚杆挂网喷混凝土支护，根据现场揭露地质特性，必要时，采用锚杆钢拱架挂网喷层支护，以保证围岩稳定。

图3 不同断面处围岩应力分布情况及位移云图

图4 不同断面处围岩塑性区云图

图5 衬砌结构拉应力云图(单位：Pa)

图6 衬砌结构位移矢量云图(单位：m)

根据围岩塑性区分布云图反应特征，岔管围岩腰拱处出现一定程度度塑性，岔洞围岩尖角部位塑性区较大。因此，为防止围岩塑性破坏产生局部破损塌落，隧洞开挖后宜及时采用喷锚支护，尖角处宜采取优化设计体型的工程措施，以保证围岩稳定、减小因塌落造成的经济损失。

根据衬砌结构受力特性可以得出，衬砌结构于拉应力集中区域应加强配筋，以抵抗围岩的变形，保证围岩稳定。

6 结论

采用离散元数值模拟方法，基于Mohr-Cuolomb弹塑性本构模型，对地下厂房尾水洞岔管进行了计算分析，得到以下结论：

(1)岔洞围岩腰拱、尖角部位塑性区较大，开挖后宜采取及时挂网喷锚支护。

(2)针对围岩塑性区分布情况，设计中应优化岔管体型，避免尖角。