某水电站泄洪洞和引水隧洞并行段最小净距研究

2021-01-21江华

水利技术监督 2021年1期

江华

(江西省水利水电建设有限公司，江西南昌 330000)

1 工程背景

某水电站是一座以发电为主，兼有防洪和灌溉等功能的综合性小型水利工程，也是辽宁省十三五重点水利工程项目之一，电站坝址以上集雨面积293km2，按照百年一遇洪水标准设计，千年一遇洪水标准校核，设计水位293.5m，对应库容0.87亿m3。水电站的主要建筑物包括混凝土重力坝、副坝、溢洪道、泄洪洞以及引水发电系统。受地形和地质等方面因素的制约，电站的泄洪洞和发电引水隧洞均设计于大坝的左侧，且需要两隧洞之间的间距尽量小，以便在线路设计时能够尽量避开左侧山体中的SK03断层。但是，该并行段基本处于弱风化的安山玢岩地层结构中，局部分布有辉绿岩和强风化流纹岩，洞身段的围岩类别以Ⅲ类为主，末端围岩类别为Ⅳ类，强度较低、稳定性差，两者在施工过程中的影响不容忽视[1]。在以往的研究中，主要是考虑新建隧洞对原有隧洞的影响，而并行施工过程中面临的力学问题无疑更为复杂[2]。基于此，本次研究通过数值模拟的方法，对泄洪洞和输水隧洞施工过程中的相互影响和应力位移特征进行研究，以确定泄洪洞和引水洞的最小间距，为工程的设计和顺利施工提供参考。

2 有限元计算模型的构建

2.1 软件选择

midas GTS NX 2019是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件，作为一个全面有限元分析软件包，可处理各种岩土工程设计应用，支持静力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、固结分析、施工阶段分析、边坡稳定分析等多种分析类型，适用于各种实际工程的准确建模与分析，并提供了多种专业化建模助手和数据库[3]。同时，该软件作为新一代岩土分析软件，应用了最尖端的图形和分析技术，可以支持最新的OS图形用户界面。直观的界面将使新用户能够轻松地将软件集成到他们的工作流程中[4]。此外，该软件还集成了混合网格生成功能，该功能可创建使用六面体和四面体元素的最佳组合的网格集，在建模复杂几何形状的较尖锐的曲线和拐角时更有效[5]。鉴于该软件的优势和本次研究的实际需求，利用midas GTS NX 2019进行研究对象的有限元模型构建。

2.2 模型的构建

为了保证模拟结果的科学性和准确性，结合相关研究经验，确定模型的计算范围为隧洞的上下各40m，左右各50m，模型的长、宽、厚分别为124m、85m和30mm[6]。其余围岩部分利用相应的压力荷载施加于模型上部边界，两隧洞之间的间距设定为15m。对隧洞的支护结构和周边的围岩部位进行网格加密处理。考虑围岩的塑性变形，围岩岩体采用Druncker-Prager 模型本构的实体单元[7]；隧洞的初支结构采用弹性本构单元，锚杆则采用弹性本构植入式桁架单元。整个模型划分为96681和计算单元，102420个计算节点，围岩的网格单元划分示意图如图1所示。

图1 围岩有限元模型示意图

2.3 计算参数

结合相关研究成果和工程实际情况，在数值模拟分析中进行如下假定：研究洞段的围岩为各向同性材料，模型采用Druncker-Prager准则进行围岩和支护结构的计算研究，在计算过程中不考虑构造应力，仅考虑自重应力[8]。模拟计算中采用的材料物理力学参数见表1。

表1 围岩物理力学参数

2.4 计算工况

本次研究的主要目的是针对不同隧洞净距条件下的围岩应力位移影响模拟计算，获得最佳泄洪洞和输水洞净距。显然，影响隧道净距的因素较多，围岩条件、埋深条件以及开挖和支护方法均会产生比较显著的影响。基于此，本次研究以背景工程地质环境条件和相关工程设计为基础，保持其余因素不变，分别建立净距为隧洞直径0.5倍、1倍、1.5倍、2倍、2.5倍、3倍等六种不同净距的有限元模型，通过净距对隧洞位移和应力的影响模拟，获得最佳净距值。由于泄洪洞和引水洞的直径均为4.2m，计算上述六个净距值并取整后分别为2m、4m、6m、8m、10m和12m，分别记为工况1至工况6。

3 计算结果与分析

3.1 围岩特征点位移计算结果与分析

利用上节构建的有限元模型，对不同工况下的隧洞围岩总位移进行计算，在计算结果中获取泄洪洞和输水洞的拱顶、底板、左拱腰和右拱腰四个关键部位的位移值，结果见表2。由表中的计算结果可知，随着泄洪洞和引水洞净距的不断减小，两隧洞各部位的总位移值均呈现出不断增加的态势。但是，当泄洪洞和引水洞净距大于等于6m时，增加的速率相对较小，各部位在不同工况下的位移值比较接近；当净距小于6m时，位移值呈现出迅速增加的态势，各部位的位移值急速增大。由此可见，泄洪洞和输水洞的最小净距应该以6m为宜[9- 12]。

表2 围岩总位移计算结果单位：mm

3.2 中岩应力计算结果与分析

由于泄洪洞和引水洞之间的岩体受开挖影响较大，同时也是隧洞建成后的重要受力部分，因此在研究中利用上节构建的有限元模型，对不同工况下的中岩Von-Mises应力进行计算。在计算结果中提取8个关键点的计算结果(特征点位于中岩中线，最高点高于拱顶1m，最低点低于底板1m，所有特征点呈等距分布，特征点自上而下分别编号为1- 8)，并绘制出如图2所示的Von-Mises应力变化曲线。由图可知，各个特征点的Von-Mises应力随着净距的减小而增大，位于拱腰部位的特征点4和特征点5的表现最为明显。从不同工况的结果对比来看，当净距小于6m时，应力增大的速率明显偏大，说明中岩的应力叠加效应十分显著；而净距大于6m时，应力的变化较为平缓。综上，从中岩应力特征来看，最小净距应该为6m[13- 15]。

图2 各工况Von-Mises应力变化曲线

3.3 塑性区特征计算结果与分析

利用上节构建的有限元模型，对不同工况下隧洞开挖之后的等效塑性应变进行计算，根据计算结果，绘制出如图3所示的最大等效塑性应变值随净距的变化曲线。由图可知，围岩的最大等效塑性应变值随着净距的减小而增大，当净距小于6m时，增大速率十分迅速，当净距大于6m时增加的速率比较平缓。由此可见，当净距小于6m时，净距为围岩塑性区的分布影响较大，容易造成中岩塑性区的贯通，当净距大于6m时，净距对塑性区的分析影响较小。因此，从塑性区分布来看，泄洪洞和引水洞的最小净距应以6m为宜。