某大型水电站交通洞与导流洞交叉断面非线性三维数值模拟
2021-12-27严军伟孔科邹奥斯何文学汪泽川
严军伟，孔科，邹奥斯，何文学，汪泽川
(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都，610072)
1 工程背景
某水电站导流洞封堵期间，库水位上升，导流洞内处于无水无压状态，但交通洞与水库相连，交通洞承受库水位水压且不断增加。导流洞与交通洞交叉布置，导流洞位于交通洞顶拱上方，开挖断面最小距离仅0.667m。为了施工方便，拟挖除该段岩塞，随后回填C20混凝土，回填混凝土范围为导流洞轴线两侧各2.5m，深度至交通洞衬砌混凝土上表面。
导流洞封堵期间，交通洞顶拱C25混凝土-回填C20混凝土-导流洞底板C25混凝土需共同承担81.8m～106.8m水压力。
该段围岩类别为Ⅲ类，导流洞衬砌厚度0.8m，交通洞衬砌厚度1.0m。
本文主要采用三维有限元计算方法，分析交通洞与导流洞交叉段在封堵蓄水期间的位移与应力变化情况。
2 计算理论
2.1 材料模型
基岩考虑为理想弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服准则模拟；混凝土材料按线弹性材料考虑，并采用增量求解法计算。
2.2 计算方法及过程模拟
洞室开挖围岩应力属于完全释放，假设不考虑围岩蠕变，洞室开挖结束时，变形为洞室最大变形，此时浇筑衬砌混凝土或喷混凝土，混凝土浇筑完成时的形状即为洞室变形结束的形状，该部分变形被强迫附加于衬砌上，衬砌上的结构应力比实际大很多。故本次计算，衬砌混凝土施工前围岩应力释放率按60%考虑，即衬砌结构承担40%的围岩自重应力。
本次计算，模拟初始自重应力场、交通洞和导流洞开挖与应力释放、衬砌混凝土施工、水库蓄水等过程，具体施工模拟过程见表1。
表1 模拟过程
3 材料参数与计算工况
围岩类别：Ⅲ、Ⅳ和V类，物理力学参数见表2，计算选取参数见表3。
表2 围岩物理力学参数建议值
表3 计算中选取的材料参数
主要荷载：围岩自重、混凝土自重及库水压力等。
导流洞临时堵头施工时间约1个月，从导流洞下闸开始后1个月内，水电站从1595.00m蓄水至1625.00m，随后继续蓄水至最低发电水位1650.00m。交通洞与导流洞交叉点处，交通洞顶拱下表面承担的水头为54.52m～109.52m(交通洞高程1540.48m)。
计算工况包括库水位蓄水至高程1595.00m、1625.00m和1650.00m三种工况，并考虑导流洞衬砌外水压力，折减系数按0.5考虑。
4 数值模型
4.1 坐标系与符号约定
计算模型全部采用整体直角坐标系xyz表达模型空间几何位置，xyz坐标系遵守右手定则，x、y、z坐标方向等同如下方向。
(1)x坐标轴正向为顺水流向；
(2)y坐标轴正向为垂直向上，y坐标关联于高程；
(3)z坐标正向为导流洞左侧指向右侧。
在没有特别申明的情况下，位移计算成果与坐标轴正向一致的位移动或变形值为“正值”，“负”值表示与坐标轴正向相反。
正应力计算成果：拉应力为“正值”，压应力为“负值”。有关岩土大小应力规定符合岩土工程习惯。
4.2 有限元模型
交通洞与导流洞交叉段三维有限元模型详见图1。
(a)整体网格
(b)混凝土衬砌结构
(c)交叉段混凝土衬砌结构
5 计算结果与分析
5.1 围岩位移与应力
5.1.1 位移分析
图2-图4表示在地应力场平衡和洞室开挖结束时围岩位移结果。
(a)顺水流向
(b)竖直向
(c)垂直水流向
(a)顺水流向
(b)竖直向
(c)垂直水流向
(a)顺水流向
(b)竖直向
(c)垂直水流向
从以上计算结果可知：
(1)初始应力场平衡结束时，围岩最大位移0.17mm，满足计算精度要求；
(2)洞室开挖结束时，隧洞开挖对洞周围岩变形影响较大，交通洞边墙最大水平位移1.78mm，导流洞边墙最大水平位移1.96mm；导流洞和交通洞顶拱最大垂直方向位移6.51mm，底板最大垂直方向位移5.21mm。
综上所述，导流洞和交通洞开挖后洞周位移均较小。
5.1.2 应力分析
图5表示在洞室开挖结束时洞周围岩应力结果。
(a)最大主应力σmax
(b)最小主应力σmin
(c)顺水流向σ11
(d)竖直向σ22
(e)垂直水流向σ33
从以上计算结果可知：洞室开挖结束时，隧洞周边围岩最大拉应力3.31MPa，最大压应力20.22MPa，均产生于交叉段附近。
5.2 衬砌位移与应力
5.2.1 位移分析
图6-图9分别表示交通洞和导流洞衬砌结束、蓄水至1595.00m、蓄水至1625.00m和蓄水至1650.00m衬砌结构位移结果。
(a)顺水流向
(b)竖直向
(c)垂直水流向
(a)顺水流向
(b)竖直向
(c)垂直水流向
(a)顺水流向
(b)竖直向
(c)垂直水流向
(b)竖直向
(c)垂直水流向
从以上计算结果可知：
(1)衬砌施工结束时，交通洞边墙最大顺水流向位移1.79mm，导流洞边墙最大垂直水流向位移1.96mm，两洞顶拱最大垂直向位移6.70mm；
(2)蓄水至1595.00m时，交通洞边墙最大顺水流向位移1.76mm，导流洞边墙最大垂直水流向位移1.96mm，两洞顶拱最大垂直位移为6.56mm；
(3)蓄水至1625.00m时，交通洞边墙最大顺水流向位移1.74mm，导流洞边墙最大垂直水流向位移2.25mm，两洞顶拱最大垂直位移为6.68mm；
(4)蓄水至1650.00m时，交通洞边墙最大顺水流向位移1.73mm，导流洞边墙最大垂直水流向位移2.34mm，两洞顶拱最大垂直位移为6.72mm。
综上所述，随着水库蓄水水位上升，交通洞内水压力逐渐增大，衬砌内凹位移逐渐减小，洞顶沉降位移逐渐减小，位移值均较小。
5.2.2 应力分析
图10-图12分别表示交通洞和导流洞在衬砌施工完成及蓄水至1595.00m、1625.00m、1650.00m时衬砌结构应力成果。
(a)衬砌施工完成
(b)蓄水至1595.00m
(c)蓄水至1625.00m
(d)蓄水至1650.00m
(a)衬砌施工完成
(b)蓄水至1595.00m
(c)蓄水至1625.00m
(d)蓄水至1650.00m
(a)衬砌施工完成
(b)蓄水至1595.00m
(c)蓄水至1625.00m
(d)蓄水至1650.00m
从以上计算结果可知：
(1)衬砌施工结束时，交通洞和导流洞衬砌拉应力峰值为0.175MPa。
(2)蓄水至1595.00m时，交通洞底板拉应力峰值达到1.777MPa，导流洞底板拉应力峰值为0.260MPa；交通洞顶拱顺水流向拉应力为1.220MPa，导流洞对应位置底板拉应力为0.15MPa。
(3)蓄水至1625.00m时，交通洞底板拉应力峰值达到2.683MPa，导流洞底板拉应力峰值为0.427MPa；交通洞顶拱顺水流向拉应力为1.860MPa，导流洞位置底板拉应力为0.196MPa。
(4)水库蓄水至1650.00m时，交通洞底板拉应力峰值达到3.438MPa，导流洞底板拉应力峰值为0.567MPa；交通洞顶拱顺水流向拉应力为2.393MPa，导流洞对应位置底板拉应力为0.275MPa。
综上所述，在施工及蓄水各阶段，导流洞底板应力均较小，未达到C25混凝土抗拉强度设计值1.27MPa。
6 结论
根据对不同工况下导流洞和交通洞交叉断面变形和应力的研究，可得出如下结论：
(1)洞室开挖后，隧洞开挖对洞周围岩变形和应力影响较大，但洞周位移均较小。围岩最大位移和最大拉应力均产生于导流洞和交通洞交叉断面附近，隧洞交叉布置对围岩变形和应力分布影响较大。
(2)洞室衬砌后，交叉段洞周位移变化较小，但洞周应力发生转变，因导流洞底板浇筑和交叉段C20混凝土回填，交通洞顶拱出现压应力。
(3)蓄水从1595.00m上升至1650.00m过程中，因交通洞洞内水压力不断增大，交通洞衬砌内凹位移逐渐减小，洞顶沉降位移逐渐减小。
(4)蓄水从1595.00m上升至1650.00m过程中，交通洞最大拉应力位于底板边缘，并未出现在交叉段交通洞拱顶。因此，交叉段采用“交通洞顶拱C25混凝土-回填C20混凝土-导流洞底板C25混凝土”方案满足工程要求。但交通洞顶拱拉应力达到2.39MPa，超过C25混凝土抗拉强度设计值，仍为工程薄弱环节，应加强配筋设计和施工质量控制。
