消力池开挖施工对临近泄洪洞安全性的影响

汪联欢

(武汉市江河水利水电规划设计院，湖北 武汉 431400)

随着经济发展和城镇化进程的不断加快，自然资源需求量不断增加，并成为制约社会发展和进步的重要因素。其中，水资源作为与人类社会关系最为密切的资源类型，其重要性也是不言而喻的。从国内情况来看，受到水资源时空分布不均等因素的影响，水资源供需矛盾日渐突出。为解决这一问题，我国近年来不断加大水利工程建设领域的投入力度，并将其作为水资源优化配置的重要工程措施。在水利工建设领域，一方面是通过新建水利工程促进水利工程的优化布局，另一方面是通过对原有水利工程的除险加固升级改造，排除病险因素，提高工程安全性和效益[1]。在原有水利工程的除险加固施工过程中，受到原有工程建筑物布局和施工场地等因素的影响，势必会对原有水工建筑造成一些影响[2]。显然，对上述影响进行定性分析和定量评价，对保证工程施工的顺利进行和原有水工建筑的安全具有重要意义。

在施工影响研究领域，主要有现场试验、模型试验和数值模拟三种基本方式[3]。对此次研究而言，显然不同利用现场试验的方式获得相应的影响规律，同时会影响到施工安全；数值模拟的方式具有成本低、方便快捷的优势。但是，工程现场的情况往往十分复杂，影响因素众多，而模型构建过程中很难考虑所有的影响因素，一旦模型的参数和边界条件设置不当，会导致较大的计算误差。基于此，此次研究以具体工程为背景，采用室内模型试验的方式探讨消力池开挖施工对临近泄洪洞安全性的影响，以便为背景工程和相关类似工程的施工建设提供有益的借鉴。

1 模型与方法

1.1 工程背景

某水库是一座具有防洪、灌溉、养殖等诸多综合性功能的小(2)型水库。该水库建成于20世纪70年代，主要由大坝、溢洪道和泄洪洞组成。由于工程存在十分明显的病险问题，急需进行除险加固。按照除险加固工程设计，需要对原有的溢洪道拆除重建，同时扩大原有消力池的尺寸，以提高工程的防洪能力。由于水库位于河谷地带，两岸山体较为陡峭，因此消力池的扩挖将会对右侧山体内的泄洪洞造成一定的影响。

1.2 模型试验设计

此次研究按照重力相似性原则进行试验模型设计[4]，模型的几何比尺为1∶20。模型试验箱的尺寸为1.40 m×0.83 m×1.45 m，其左右两面为厚度0.7 mm的钢化玻璃，其余部位为钢板。模型箱的结构部分利用角钢焊接而成，可以保证试验过程中箱体的刚性以及变形的稳定性[5]。钢化玻璃不仅为试验提供良好的视野，同时玻璃上的坐标系也可以为各种水工构筑物的放置提供精确位置。

研究中使用的试验岩土体采用由石灰、石膏、铁粉和水配置凝固而成的相似性材料，其密度为1.8 g/cm3，黏聚力为21.5 kPa，内摩擦角为25.4°。由于消力池与泄洪洞距离较近，因此在施工中拟采用地下连续墙+锚杆的初支方案。由于没有水利工程领域的相关理论和实践经验借鉴。因此研究中参考基坑开挖试验成果[6]，选择厚度为8 mm的PVC板作为地下连续墙的材料，其弹性模量为3.21×106kPa；选择长度40 cm、外径1.5 cm，厚度1 mm的PVC管作为锚杆材料，其弹性模量为1.05×106kPa。临近泄洪洞采用外径20 cm、厚4 mm的PVC空心管替代，其弹性模量为3.94×106kPa。根据背景工程的实际情况和设计比尺，消力池岩土体卸载宽度0.8 m，长度为1.2 m；地下连续墙的嵌固深度为0.2 m。试验模型的截面示意图如图1所示。

图1 试验模型截面示意图

试验中在泄洪洞中央部位设置监测断面，在每个截面的拱顶、左拱肩、左拱腰、左拱脚、底部、右拱脚、右拱腰及右拱肩8个典型部位设置应变片，以监测施工过程中监测断面的弯矩变化数据[7]。试验中的应变片采用精度等级为A级的BX120-20AA 型号，其灵敏系数为0.28。在试验中利用502胶将其固定在各个测点的预设位置，并将其端子和数据导线焊接。试验过程中泄洪洞位移量测试采用振弦式位移传感器，该传感器具有操作方便、性能稳定、精度高的优势。其安装部位与应变片相同[8]。所有的测试数据均利用计算机自动采集和储存。在试验结束之后利用EXCEL软件进行数据的整理和分析。

1.3 试验方案

结合工程实际，此次研究选择消力池的开挖深度、泄洪洞埋深以及消力池右侧边界和泄洪洞左拱腰的距离(以下简称间距)作为研究变量。其中消力池的开挖深度选择0.4 m、0.5 m、0.6 m和0.7 m 4种不同水平；泄洪洞埋深选择拟开挖深度(0.5 m)的0.5倍、1.0倍、1.5倍和2.0倍，也就是0.25 m、0.50 m、0.75 m和1.00 m 4种不同的水平；间距选择拟开挖深度的0.8倍、1.0倍、1.2倍和1.4倍，也就是0.4 m、0.5 m、0.6 m和0.7 m 4种不同的水平。鉴于影响因素和水平值较多，研究中保持两个变量取值不变，展开第三个变量的影响试验研究。利用试验中获得的数据，对拱顶、左拱肩、左拱腰、左拱脚、底部、右拱脚、右拱腰及右拱肩8个典型部位的弯矩和位移值进行分析，获取消力池开挖对泄洪洞安全性的具体影响规律。

2 试验结果与分析

2.1 开挖深度

研究中保持泄洪洞埋深0.5 m、消力池和泄洪洞间距0.4 m不变，利用模型对不同消力池开挖深度方案进行试验。根据试验数据计算获取泄洪洞各监测点位的弯矩和位移，结果分别如表1和表2所示。从表1可以看出，随着消力池开挖深度的增大，各部位的弯矩也存在程度不同的变化。将模型数据按照1∶20的几何比例尺换算到实际工程，当开挖深度<10 m时，泄洪洞各部位的弯矩计算结果变化不大，当开挖深度>10 m时，各部位的弯矩值显示出比较明显的变化，其中变化最大的是拱顶和左拱肩部位，特别是左拱肩部位出现明显的拉应力区，右侧的拱脚和拱腰部位也由受压状态变为受拉状态。从表2可以看出，消力池开挖深度较小时，各部位的位移量较小。随着开挖深度的增加，泄洪洞整体向左移动，且位移量不断增大，同时发生泄洪洞上半部分位移量大于下半部分的不均匀位移，原因是泄洪洞内部发生了变形，且以左上部的受拉变形最为显著。当开挖深度>12 m时，位移量迅速增大且不均匀位移现象更为显著。

表1 不同消力池开挖深度弯矩试验结果

表2 不同消力池开挖深度位移试验结果

2.2 泄洪洞埋深

研究中保持0.5 m的消力池开挖深度，0.4 m的消力池和泄洪洞间距不变，对不同泄洪洞埋深方案进行试验，根据试验结果计算获取泄洪洞不同监测点位的弯矩和位移值，结果分别如表3和表4所示。从试验结果可以看出，在其他条件不变的情况下，泄洪洞各部位的弯矩变化量和位移量均随着泄洪洞埋深的增大而减小，且各个监测点位的分布规律基本一致。另一方面，从试验结果还可以看出，当泄洪洞的埋深小于消力池开挖深度时，泄洪洞各个监测点位的弯矩变化量和位移量显著偏大；当泄洪洞的埋深大于消力池开挖深度时，各个监测点位的弯矩变化量和位移量相对较小。由此可见，当消力池的开挖深度小于泄洪洞埋深时，开挖施工对泄洪洞安全性的影响有限；当消力池的开挖深度大于泄洪洞埋深时会对其安全性造成比较显著的影响，在工程设计和施工中需要予以关注。

表3 不同泄洪洞埋深弯矩试验结果

表4 不同泄洪洞埋深位移试验结果

2.3 间距

研究中保持消力池开挖深度0.5 m，泄洪洞埋深0.5 m不变，对不同消力池和泄洪洞间距方案进行试验，根据试验数据计算获取泄洪洞各个监测点位的弯矩和位移量，结果如表5和表6所示。从计算结果可以看出，在其他条件不变的情况下，随着消力池和泄洪洞间距的增大，泄洪洞各个典型部位的弯矩变化量和位移量均呈现出不断减小，并逐渐趋于稳定的变化特点。由此可见，在消力池开挖施工中增加消力池和泄洪洞的间距可以提高泄洪洞的安全性和稳定性。将模型数据按照1∶20的几何比例尺换算到实际工程，当消力池和泄洪洞间距<10 m时，泄洪洞的弯矩变化值和位移的变化量较大，当消力池和泄洪洞间距>10 m时，泄洪洞的弯矩变化值和位移的变化较为有限。

表5 不同消力池和泄洪洞间距方案下弯矩试验结果

表6 不同消力池和泄洪洞间距方案下位移试验结果

3 结 语

此次研究以具体工程为依托，利用物理模型试验的方式探讨了消力池开挖对临近泄洪洞安全性的影响。结果显示，较大的开挖深度、较小的间距和泄洪洞埋深均不利于泄洪洞的安全稳定。从试验结果来看，当泄洪洞埋深和间距小于消力池的开挖深度时，对泄洪洞的弯矩和位移影响较大，不利于保证施工中泄洪洞的安全稳定，设计施工中需要考虑。模型试验结果和实际工程存在一定的差异，而试验模型也无法全部复制工程现场的复杂条件，因此，在今后的工作中还需要搜集更多的工程实测数据，为后续深入研究提供更多的依据。