引水隧洞进口软弱基底加固措施优选研究

于秀英

（凌源市兴源街道水利站，辽宁凌源 122500）

1 工程概况

胜利水电站是一座以发电和防洪为主，兼有其他诸多功能的大型水利枢纽工程，同时也是浑河的重要支流苏子河梯级开发的重要工程。电站的坝址位于辽宁省新宾县胜利村境内[1]。电站大坝为混凝土重力坝坝型，按照30年一遇洪水标准设计，按照百年一遇洪水标准校核，设计水位和校核水位高度分别为146.78m和148.07m，设计库容6.98亿m3[2]。胜利水电站的发电引水隧洞位于大坝右岸，其进口部位的围岩等级较低，主要由全风化到强风化泥质粉砂岩构成。软岩地下洞室开挖工程施工初期的流变效应往往会给施工工作造成严重影响，根据现场的地质条件，进洞之后的前30.0m采用双侧壁导坑法开挖，然后进行大管棚注浆加固。在围岩基本稳定之后，利用三台阶仰拱法开挖施工，之后进行流水开挖。

2 加固方案设计

2.1 施工现状

由于发电引水隧洞进口部位的围岩质量较差，属于全风化V级围岩。其中隧洞的洞底在开挖过程中出现了大量的渗水现象，造成洞底基底软弱，同时洞底的下沉导致初支结构的拱架变形和衬砌混凝土开裂等比较严重的变形。鉴于情况比较严重，为了保证施工安全及建成后的引水隧洞能够稳定运行，对引水隧洞进口100.0m以内的引水隧洞洞底进行注浆加固，以提升洞底的承载力，达到控制隧洞变形，保证施工安全进行的目的[3]。

2.2 加固措施

结合洞底软弱基底的实际情况，拟采用注浆加固的方式。具体措施为将该洞段洞底的C15混凝土换填为1.5m，下部采用注浆钢花管进行注浆，间距为1.5m×1.5m，梅花型布置。但是，考虑到回填深度和注浆管长度会对隧洞变形造成比较明显的影响[4]，研究中设计1.0m和1.5m两种不同的回填深度，以及4.0m和8.0m两种不同的注浆花管长度，设计出如表1所示的5种具体加固方案。针对不同的加固方案，利用数值模拟分析方法对隧洞的应力和位移特征进行模拟计算分析，并对各种方案进行评价，以获取最优的加固方案，为施工的顺利进行提供必要的支持。

表1 具体加固方案m

3 有限元计算模型的构建

3.1 FLAC3D有限差分软件

FLAC是ITASCA公司开发的一款专门应用于岩土工程分析的大型有限元差分分析软件[5]，其中FLAC3D是FLAC二维计算程序的三维扩展，在功能上有了较大的提高和改善，可以有效模拟三维岩土体材料的力学特征，非常适合岩土材料大变形模拟分析，目前已经广泛应用于地下洞室、边坡稳定性评价、隧道、深基坑等诸多领域[6]。由于该软件可以利用应变增量数值，循序计算获取应力增和平衡力，能够十分准确地模拟材料的流动特征和塑性破坏，大大优于有限元降阶法。因此，此次研究选择FIAC3D有限差分软件进行进口开挖洞段的有限元模型构建。

3.2 有限元计算模型的构建

结合胜利水电站引水隧洞入口V级围岩洞段的实际情况，选择典型断面K+013进行有限元计算模型的构建。根据初始工程设计，K+013断面埋深较小，最大埋深为36.0m，该断面为2.8m×3.0m城门洞型断面设计。根据岩土力学领域的理论和实践经验，地下洞室工程开挖施工对围岩的影响主要集中于5倍洞径以内的区域[7]。为了保证计算的精度和研究结果的科学性，同时考虑计算量，研究中以10倍洞径为标准确定模型的计算范围。

在模型计算过程中，以垂直于隧洞中心线指向右侧的方向为X轴正方向；以隧洞中线指向下游的方向为Y轴的正方向；以竖直向上的方向为Z轴正方向。FLAC3D软件中提供了丰富的网格单元类型，结合研究需求和工程实际，对构建的几何模型利用六面体等参数单元进行网格单元划分；对隧洞附近区域进行网格加密处理，网格单元的平均边长为0.8m，其余部位的网格单元平均尺寸为4.0m。整个模型划分为12367个网格单元，14560个计算节点。

3.3 约束条件与计算参数

边界条件是影响模型构建和计算结果科学性、准确性的重要因素。为了适应不同研究对象的实际情况，FLAC3D软件提供了类型丰富的边界条件。结合本文研究的目的，对构建的模型选择位移边界条件和应力边界条件。具体而言，忽略模型上部的碎石影响，仅考虑全风化泥质粉砂岩的影响，在模型的上部边界施加0.35MPa法向均布荷载，在模型的两侧施加1.04MPa的水平荷载，以模拟隧洞上部围岩自重的应力影响。研究中结合开挖实际，每个台阶开挖3.0m，共完成3个台阶的开挖，共9步。模型的上部为自由边界条件，在模型的左侧和右侧施加水平位移约束，模型的底部为全位移约束条件[8]。模型材料的物理力学参数也是影响计算结果准确性的重要因素，研究中结合现场地质勘测数据和相关研究经验，确定如表2所示的模型材料物理力学参数。

表2 模型材料计算参数

4 计算结果与分析

4.1 应力

在模型应力计算结果中，提取研究洞段基底中心和端侧的应力值，结果如表3所示。由表3的结果可知，在加固方案1条件下，基底中心和端侧应力值最大，并表现为压应力，这说明采取加固措施对减小围岩应力水平具有重要作用。加固方案3的基底中心压力值最小，为-46.04MPa；计算方案5的端侧应力值最小，为-60.47MPa。由此可见，从地基受力分析的视角来看，方案4和方案5的加固效果最佳。

表3 研究洞段基底中心和端侧应力计算成果MPa

4.2 位移

在位移模拟计算结果中，提取隧洞拱顶、拱腰和仰拱等3个关键部位的位移数据，结果如表4所示。由计算结果可以看出，采取加固措施对约束隧洞衬砌变形具有十分显著的作用。从数据来看，加固岩土体越深，对拱顶沉降变形的控制效果并不是越好。在同样的回填深度条件下，加固深度为4.0m的两个方案的拱顶沉降量明显小于加固深度为8.0m的两个计算方案。

表4 位移计算结果mm

从拱腰收敛变形来看，方案2和方案3的收敛变形量相对较大，方案4和方案5的收敛变形量相对较小，由此可见，水平应力和变形与回填深度的关联度较高，回填深度为1.5m情况下，拱腰的收敛变形量明显偏小。

从仰拱位移来看，方案2和方案4表现为向上位移，方案2在控制仰拱位移方面优于方案4；方案3和方案5表现为向下位移，方案3在控制仰拱位移方面优于方案5。总体而言，方案4在控制仰拱位移方面效果最佳。

综上，方案4在拱顶沉降、拱腰收敛及仰拱位移控制方面，均可以取得最佳效果。鉴于方案4和方案5的应力计算结果比较接近，没有明显的差别，因此推荐方案4为最佳加固方案。