降雨条件下输水隧洞并行段开挖支护方案分析

杨树波

(朝阳宏泰水利工程监理有限公司，辽宁 朝阳 122000)

1 研究背景

轿顶子电站是辽宁省东部重要河流北股河上的一座小型水利工程，其建成和运行对改变当地的电力结构，促进区域经济社会发展具有重要意义[1]。电站的坝址位于丹东市宽甸县太平哨镇轿顶子村境内，其坝址以上汇流区面积约293 km2，设计库容0.87亿m3。由于电站坝址区域为典型的河谷地带，两侧山体高大，给工程设计和建设造成了一定的难度。由于右侧地质环境整体较差，因此，电站的泄洪洞以及发电引水隧洞均设计在大坝的左侧山体中。鉴于该侧山体中存在SK03大型地质断层带，且与大坝距离较近。因此，电站的泄洪洞和引水隧洞有240.4 m的并行段且距离最近处仅有15 m。这一设计虽然避开了SK03断层，但是，造成并行段埋深较浅，地质环境较差。其围岩大多部位为弱风化的安山玢岩，局部分布有辉绿岩和强风化流纹岩，围岩类别以Ⅲ类为主，个别地段为Ⅳ类。工程项目部在经过综合论证和分析之后，决定采用先开挖引水洞后开挖泄洪洞、先进行泄洪洞的二衬施作、后进行引水洞二衬施作的施工顺序进行施工建设。

项目位于辽宁省东部地区，年均降雨量为833 mm，且大部分降雨分布在夏季多雨期。另一方面，受当地典型的温带大陆性季风气候特征的影响，汛期降雨多表现为短时强降雨，而持续性强降雨也不少见。由于隧洞的埋深较浅且围岩稳定性总体较差，降雨难免会给隧洞开挖施工中的围岩稳定性造成影响[2]。基于此，此次研究利用数值模拟的方式，分析强降雨条件下不同施工方案的围岩稳定性特点，并对当前选择的施工方案作出科学评价。

2 Midas有限元模型

2.1 有限元模型的构建

Midas GTS NX软件是一款专门针对Windows 环境开发的三维有限元模拟岩土分析软件，具有容易学习使用、功能强大的优势，可以有效解决岩土领域的各种复杂问题[3]。基于此，此次研究利用该软件进行背景工程有限元模型的构建。

结合相关研究理论和工程经验，在此次计算过程中将模型的宽度和深度设置为隧洞洞径的5倍[4]，上方取至地表，最终确定模型的计算尺寸为30 m×160 m×100 m。对构建的模型利用四面体单元进行网格剖分，并对隧洞周边围岩进行网格加密处理，最终获得10 224个网格单元，11 053个节点。模型网格的最大尺寸为4.0 m，最小尺寸为0.8 m。

2.2 边界条件和计算参数

模型计算过程中选取摩尔-库伦模型作为围岩的本构模型，地层的应力应变均属于弹塑性范畴，因此，结构材料均选用弹性本构关系[5]。由于研究段隧洞埋深较浅，因此，不考虑地下水的作用和影响，仅考虑降雨入渗的作用，而降雨入渗会改变围岩岩土体的饱和状态，并对岩体的物理力学性质造成影响，并产生不同的应力和应变区，最终影响到隧洞围岩的整体稳定性。岩体的初始应力场仅考虑围岩自重，不考虑构造应力[6]。在数值计算过程中，对模型的底面和侧面施加位移和转角约束条件，模型的上面不施加边界约束条件，为自由面。

模型材料的物理力学参数对计算结果存在直接影响，而降雨入渗作用下岩土体的黏聚力和内摩擦角将会发生较大的改变，这也是降雨影响围岩稳定性特征的内在机理[7]。研究中结合相关规范和现场地质调查数据，确定如表1所示的模型材料初始值。计算过程中根据工程现场取样的试验室试验数据，对降雨条件下围岩参数进行调整并输入模型，以模拟降雨对隧洞开挖施工过程中围岩稳定性的影响[8]。

表1 围岩物理力学参数

2.3 计算方案

由于背景工程的施工场地较小，在开挖施工过程中会受到诸多限制，因此，两洞并不能同时开挖施工。结合工程项目部提出的开挖施工方案以及研究的目的和需要，设置两洞不同的开挖和二衬施工顺序，获得如表2所示的施工方案。结合当地的降雨特征，同时考虑计算量，研究中将降雨时长设置为1 d，设置5 mm/h和10 mm/h两种降雨雨强。

表2 计算方案设计

3 计算结果与分析

3.1 围岩应力

研究中利用构建的有限元模型，对不同施工方案下围岩应力分布进行分析计算，从计算结果中提取出不同计算方案下输水隧洞围岩的最大主应力和最小主应力值，结果如表3所示。由表中的计算结果可以看出，降雨强度对输水隧洞围岩的主应力存在比较显著的影响，降雨强度越大，各方案的最大主应力和最小主应力值均显著偏大。由此可见，在强降雨的作用下，隧洞开挖施工过程中的围岩稳定性会受到显著影响。从不同方案的计算结果对比来看，方案2和方案1相比，最大主应力和最小主应力值均明显偏小，说明方案2比方案1对控制围岩应力有利。同样，方案4的最大主应力和最小主应力值均明显小于方案3，因此，先施作泄洪洞二衬有利于控制围岩应力。方案4和方案2相比，虽然最大主应力和最小主应力值偏大，但是，增大幅度有限，方案4有利于缩短工期，提高工程经济性。因此，从围岩应力计算结果来看，方案4最佳。

表3 主应力计算结果 MPa

3.2 围岩位移

研究中利用构建的有限元模型，对不同施工方案下围岩位移进行分析计算，从计算结果中提取出不同计算方案下输水隧洞围岩的竖向位移和水平位移的最大值，结果如表4所示。由表中的计算结果可以看出，降雨强度对输水隧洞围岩的位移存在比较显著的影响，降雨强度越大，各方案的各向位移值均显著偏大。另一方面，泄洪洞的围岩位移值要大于引水洞，原因应该是泄洪洞的断面相对较大，因此，更容易引起较大的围岩位移变形。从不同开挖方案的计算结果对比来看，位移变形的变化和分布规律与应力基本一致，这也从侧面印证了围岩应力变化与位移变形的内在关系。具体来看，方案4的位移变形量整体较小，除了泄洪洞水平位移稍大于方案2之外，其余均为最小。由此可见，方案4对控制隧洞开挖施工中的位移变形较为有利，为最佳方案。

表4 塑性区面积计算结果 m2

表4 位移计算结果 mm

3.3 塑性区

塑性区是造成围岩失稳破坏的重要因素，是研究地下洞室工程开挖施工中围岩安全稳定性的重要指标。研究中利用构建的有限元模型，对不同开挖方案下围岩的塑性区分布进行模拟计算，围岩塑性区面积结果如表5所示。由表5可以看出，在降雨条件下隧洞开挖施工过程中，围岩的塑性区面积变化规律与应力、位移变化规律相似，这里不再一一复述。整体来看，方案4的围岩塑性区面积相对较小，对保证施工开挖过程中围岩的安全性和稳定性最为有利。

4 结 论

(1)在降雨条件下，雨强越大隧洞围岩的应力值、位移量和塑性区面积越大，越不利于围岩的稳定。

(2)在开挖施工过程中，先开挖引水洞比先开挖泄洪洞有利，先进行泄洪洞二衬施作比先进行引水洞二衬施作有利。

(3)整体来看，方案4的围岩应力值、位移量和塑性区面积较小，为最佳施工方案，而该方案就是工程项目确定的方案。因此，在持续强降雨的条件下，不需要对原方案的施工顺序进行调整。

(4)鉴于强降雨条件下围岩的位移量和塑性区范围明显增大，建议施工中持续关注围岩情况，出现问题及时处理。