李煥煥, 傅少君, 王書法, 李 剛

(1.西京學(xué)院陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100；2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072)

導(dǎo)流洞的封堵是水電工程建設(shè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，導(dǎo)流洞堵頭作為永久建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)，與大壩具有相同的安全等級(jí)，導(dǎo)流洞堵頭的穩(wěn)定性對(duì)工程的安全運(yùn)行具有重要意義。翁永紅等[1]通過試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，開展了高水頭下烏東德水電站大型導(dǎo)流洞堵頭安全評(píng)價(jià)研究，結(jié)果表明柱形結(jié)構(gòu)的堵頭形式能夠承受3.1～7.4倍的設(shè)計(jì)水頭荷載。徐建華等[2]針對(duì)江坪河水電站超期服役的導(dǎo)流洞封堵安全問題，提出了一系列安全保障措施，消除了封堵系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)。汪魁等[3]將可靠度理論引入到導(dǎo)流洞堵頭的設(shè)計(jì)計(jì)算中，考慮堵頭的可靠性與穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)堵頭長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化分析。董志宏等[4]采用三維彈塑性數(shù)值分析方法結(jié)合超載法分析了構(gòu)皮灘水電站導(dǎo)流洞堵頭的穩(wěn)定性；此外，亦有研究人員通過三維有限元計(jì)算探討了猴子巖水電站、烏東德水電站、龍灘水電站以及紫坪鋪水利樞紐導(dǎo)流洞堵頭的穩(wěn)定問題[5-9]?？梢?，采用數(shù)值計(jì)算方法校核導(dǎo)流洞堵頭設(shè)計(jì)方案，分析導(dǎo)流洞施工運(yùn)行全過程已成為工程建設(shè)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

孟底溝水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口位于雅礱江右岸，距壩軸線上游約500 m，進(jìn)口布置2條間距約50 m的導(dǎo)流洞，編號(hào)1#和2#。受制于樞紐建筑物布置，導(dǎo)流洞堵頭段地質(zhì)條件較差(斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育)，堵頭建成后擋水水頭高，邊界條件復(fù)雜，且封堵期工期緊張。因此，分析導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)、堵頭段襯砌結(jié)構(gòu)及堵頭附近圍巖的應(yīng)力與變形及堵頭穩(wěn)定性非常迫切和必要。

鑒于此，采用非線性三維有限元分析方法，對(duì)堵頭段的洞室開挖、襯砌混凝土施工、堵頭混凝土澆筑的過程以及堵頭永久運(yùn)行工況進(jìn)行模擬。分析施工過程中洞室圍巖的應(yīng)力與變形特征及穩(wěn)定性，分析運(yùn)行過程中在外水壓力作用下堵頭段圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)和堵頭結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，研究堵頭段圍巖及堵頭結(jié)構(gòu)的潛在破壞模式和極限承載力，對(duì)堵頭段結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出建議。

1 堵頭工程地質(zhì)條件

堵頭巖性為燕山早期中細(xì)粒花崗閃長(zhǎng)巖(γδ52)，為壩區(qū)兩條較大斷層f4、f5及影響帶相交地段，斷層f4及影響帶的破碎帶主要由碎粉巖、碎斑巖組成，碎裂結(jié)構(gòu)為主，局部散體結(jié)構(gòu)，有地下水出露，地下水較豐富，圍巖不穩(wěn)定，斷層破碎帶為Ⅴ類圍巖，圍巖自穩(wěn)能力差，圍巖極不穩(wěn)定； f5斷層及部分蝕變巖帶ACZ03，蝕變巖帶AZR18等，以碎裂結(jié)構(gòu)為主，局部鑲嵌結(jié)構(gòu)，少量散體結(jié)構(gòu)，地下水豐富，局部囊狀承壓水，以Ⅳ類圍巖為主，局部Ⅲ1類，圍巖自穩(wěn)能力差，圍巖不穩(wěn)定；斷層f4、f5間巖體，受斷層影響，裂隙發(fā)育，發(fā)育小斷層、隨機(jī)蝕變巖帶，以鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，局部穩(wěn)定性差，鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，以Ⅲ1類為主，圍巖局部穩(wěn)定性差。導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡全貌如圖1所示。

圖1 導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡全貌Fig.1 Overall view of diversion tunnel inlet slope

2 計(jì)算方案

2.1 計(jì)算范圍與網(wǎng)格劃分

(1)上下游方向：上游方向以2#導(dǎo)流洞堵頭上游面向上游延伸100 m，下游方向以1#導(dǎo)流洞堵頭下游面向下游延伸100 m。

(2)左右岸方向：以1#導(dǎo)流洞的軸線向河谷橫向擴(kuò)展60 m，以2#導(dǎo)流洞的軸線向山里橫向擴(kuò)展60 m。

(3)鉛直方向：以堵頭挖底板向下延伸至60 m(大約最大洞徑的3倍)，向上至坡面。

(4)模型中主要考慮的地質(zhì)現(xiàn)象包括巖層質(zhì)量分級(jí)，即分析范圍的Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2和Ⅳ級(jí)巖體，坡表局部覆蓋層并入Ⅳ級(jí)巖體，斷層f4和f5及蝕變帶。

(5)在模型左右兩側(cè)、上下游側(cè)和底部施加法向約束，頂面自由。

(6)有限元網(wǎng)格劃分：開挖區(qū)及襯砌混凝土單元尺寸控制在1.5 m范圍內(nèi)；第一層錨固區(qū)(短錨桿所在區(qū)域)單元尺寸控制在2 m范圍內(nèi)；第二層錨固區(qū)(長(zhǎng)錨桿所在區(qū)域)單元尺寸控制在2.5 m范圍內(nèi)；模型邊界距開挖區(qū)距離近的邊單元尺寸控制在15 m范圍內(nèi)，模型邊界距開挖區(qū)距離遠(yuǎn)的邊單元尺寸控制在20 m范圍內(nèi)。從錨固區(qū)到模型邊界，單元尺寸漸進(jìn)過渡。依照上述單元尺寸控制標(biāo)準(zhǔn)，堵頭段建立的三維有限元網(wǎng)格模型如圖2所示?？偣矂澐?07 057個(gè)單元，119 661個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 計(jì)算參數(shù)

孟底溝水電站壩區(qū)巖土介質(zhì)及結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

堵頭混凝土的彈性模量按雙曲線形式進(jìn)行計(jì)算，由于未能提供堵頭混凝土的彈性模量試驗(yàn)值，借鑒其他工程提供的相關(guān)資料并結(jié)合《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T 5057—2009[11]對(duì)C25混凝土的指標(biāo)規(guī)定，堵頭混凝土的彈性模量E公式為

(1)

式(1)中：t為齡期。

堵頭混凝土的泊松比取為0.167；襯砌混凝土的物理力學(xué)參數(shù)按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T 5057—2009[11]選取。計(jì)算中未考慮混凝土的徐變。

2.3 初始地應(yīng)力場(chǎng)

由于堵頭段區(qū)域的水平埋深和豎直埋深均較大，計(jì)算時(shí)考慮構(gòu)造應(yīng)力，取值參考文獻(xiàn)[12]中的建議值(表3)。

圖2 導(dǎo)流洞堵頭計(jì)算模型Fig.2 Computation model of diversion tunnel plug

表1 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)建議值Table 1 Recommended values of mechanical parameters of structural plane

表2 地下洞室圍巖物理力學(xué)參數(shù)建議值Table 2 Recommended values of physical and mechanical parameters of surrounding rock

表3 應(yīng)力測(cè)試成果Table 3 stress test results

2.4 計(jì)算工況及模擬過程

本次堵頭的計(jì)算主要考慮以下2種工況：①開挖工況，荷載主要為開挖荷載，施加在開挖面上；②堵頭永久運(yùn)行工況，荷載主要為水荷載，以面力形式施加導(dǎo)流洞內(nèi)壁。

整個(gè)計(jì)算過程如下：①施加巖體自重，模擬初始地應(yīng)力場(chǎng)；②開挖第一步；③開挖第二步，錨固第一步開挖的周邊；④澆筑底板及下部邊墻襯砌，錨固第二步開挖的周邊；⑤上部邊墻及拱頂襯砌；⑥澆筑堵頭第1個(gè)澆注塊，隨后按圖3所示(1)～(13)的順序澆筑；⑦施加滲透荷載和水壓模擬永久運(yùn)行工況。

圖3 堵頭的澆筑順序Fig.3 Pouring sequence of plug

2.5 點(diǎn)安全系數(shù)法

研究中圍巖的屈服準(zhǔn)則選取D-P準(zhǔn)則，即

(2)

若σ1<σT，則巖體的點(diǎn)安全系數(shù)K為

(3)

若σ1≥σT，則巖體的點(diǎn)安全系數(shù)為

K=σT/σ1

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 施工工況(以1#導(dǎo)流洞為例)

3.1.1 圍巖變形分析

開挖后洞周圍巖均向洞內(nèi)變形，斷層及洞周圍巖變形量均較大(圖4)。頂拱最大下沉量約為15.67 mm，底板最大隆起量約為13.95 mm，邊墻洞內(nèi)最大水平變形量約為17.48 mm，均位于f4斷層附近。

圖4 1#導(dǎo)流洞縱剖面開挖位移鉛直向分量等值線Fig.4 Vertical component contour of excavation displacement in longitudinal section of 1# diversion tunnel

3.1.2 圍巖的應(yīng)力分析

由1#導(dǎo)流洞典型剖面的第一、第三主應(yīng)力的等值線圖(圖5)可以看出：開挖后圍巖總體上處于受壓狀態(tài)。在斷層和Ⅳ類圍巖部位邊墻中部、頂拱和底板局部區(qū)域內(nèi)有少量受拉區(qū)，受拉區(qū)第一主應(yīng)力水平也較低，低于1.0 MPa，其他區(qū)域圍巖處于受壓狀態(tài)。

3.1.3 圍巖的點(diǎn)安全系數(shù)分布規(guī)律

由圖6可知，點(diǎn)安全系數(shù)小于1(即圍巖處于屈服狀態(tài))的區(qū)域主要分布在斷層和Ⅳ類圍巖內(nèi)外邊墻中部、頂拱和底板等局部區(qū)域，結(jié)合變形收斂特性及應(yīng)力分布特性，認(rèn)為：開挖后導(dǎo)流洞堵頭段圍巖整體上穩(wěn)定，但在巖體較差的區(qū)域存在局部失穩(wěn)的可能性，因此施工過程中要加強(qiáng)對(duì)較差區(qū)域圍巖的監(jiān)控，必要時(shí)適時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充支護(hù)，以確保施工期工程的安全。

3.2 運(yùn)行工況(以1#導(dǎo)流洞為例)

3.2.1 變形分析

堵頭運(yùn)行時(shí)，只有堵頭上游面向上游部分有內(nèi)水壓力作用，因此變形主要集中在堵頭上游面向上游部分的結(jié)構(gòu)中。結(jié)構(gòu)的變形以導(dǎo)流洞的徑向?yàn)橹鳎?/p>

圖5 1#導(dǎo)流洞縱剖面主應(yīng)力等值線圖Fig.5 Principal stress contour map of the longitudinal section of 1# diversion tunnel

圖6 1#導(dǎo)流洞縱剖面圍巖點(diǎn)安全系數(shù)等值線圖Fig.6 Contour map of safety factor of surrounding rock points in longitudinal section of 1# diversion tunnel

徑向變形指向洞外，軸向(順河向)變形指向下游。導(dǎo)流洞頂拱最大拱起量約為1.15 mm，底板最大下沉量約為1.15 mm，邊墻向洞外最大水平變形約為1.66 mm，均位于堵頭上游面附近Ⅳ類圍巖內(nèi)。順河最大位移約為0.56 mm，位于堵頭上游面中心附近(圖7)。

圖7 1#導(dǎo)流洞縱剖面位移等值線圖Fig.7 Displacement contour map of longitudinal section of 1# diversion tunnel

3.2.2 圍巖的點(diǎn)安全系數(shù)

由圖8可知，運(yùn)行工況下，圍巖點(diǎn)安全系數(shù)小于1(即圍巖處于屈服狀態(tài))的區(qū)域主要分布在斷層和Ⅳ類圍巖內(nèi)外邊墻中部、頂拱和底板等局部區(qū)域。對(duì)比圖6，運(yùn)行期點(diǎn)安全系數(shù)小于1(即圍巖處于屈服狀態(tài))的區(qū)域比開挖工況下小，這主要是因?yàn)橐r砌和堵頭的澆筑以及內(nèi)水壓力作用對(duì)開挖面起到支護(hù)作用。結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算的收斂特性，認(rèn)為運(yùn)行期導(dǎo)流洞堵頭段圍巖整體上穩(wěn)定。

圖8 1#導(dǎo)流洞縱剖面圍巖點(diǎn)安全系數(shù)等值線圖Fig.8 Contour map of safety factor of surrounding rock points in longitudinal section of 1# diversion tunnel

3.2.3 襯砌與堵頭接觸面的屈服區(qū)

從圖9可以看出，堵頭與襯砌接觸面屈服區(qū)分布在上游面附近不到2 m的范圍，故堵頭整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(紅色為屈服區(qū))圖9 堵頭與襯砌接觸面的屈服區(qū)分布(50 m)Fig.9 Distribution of yield zone on the interface between plug and lining(50 m)

3.2.4 襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

從圖10可以看出，堵頭段襯砌的主壓應(yīng)力不超過6.0 MPa，低于混凝土的抗壓強(qiáng)度11.9 MPa，滿足混凝土抗壓強(qiáng)度要求。堵頭段下游部分襯砌拉應(yīng)力水平較低不超過0.7 MPa。堵頭段上游面附近即以上游部分，主拉應(yīng)力水平較高，絕大部分區(qū)域超過混凝土的抗拉強(qiáng)度1.27 MPa，要加強(qiáng)配筋。

圖10 導(dǎo)流洞第一主應(yīng)力云圖Fig.10 First principal stress nephogram of diversion tunnel

3.2.5 堵頭長(zhǎng)度的優(yōu)化分析

由前分析可知，推薦方案的堵頭長(zhǎng)度滿足穩(wěn)定要求。為了優(yōu)化堵頭設(shè)計(jì)方案，將堵頭長(zhǎng)度減少10 m，即堵頭長(zhǎng)度縮短到40 m進(jìn)行計(jì)算。對(duì)比分析圖9與圖11可知，堵頭長(zhǎng)度為50 m和長(zhǎng)度為40 m接觸面的屈服區(qū)差別不明顯。進(jìn)一步對(duì)比分析堵頭節(jié)段分擔(dān)力占總水推力的比值與堵頭節(jié)段長(zhǎng)度的關(guān)系，由圖12可知，堵頭長(zhǎng)度50 m時(shí)，上游端30 m長(zhǎng)節(jié)段堵頭分擔(dān)94.8%的總水推力；堵頭長(zhǎng)度40 m時(shí)，上游端30 m長(zhǎng)節(jié)段堵頭分擔(dān)95.5%的總水推力，增長(zhǎng)幅度不到1%。

圖11 堵頭與襯砌接觸面的屈服區(qū)分布(40 m)Fig.11 Distribution of yield zone on the interface between plug and lining(40 m)

圖12 堵頭節(jié)段分擔(dān)水推力與總水推力比值與堵頭節(jié)段長(zhǎng)度的關(guān)系曲線Fig.12 Relationship curve between the length of the plug segment and the ratio of the water thrust shared by the plug segment to the total water thrust

綜上所述，當(dāng)堵頭長(zhǎng)度達(dá)到40 m，再繼續(xù)增加堵頭的長(zhǎng)度，對(duì)增加堵頭穩(wěn)定性效果不明顯，因此堵頭長(zhǎng)度為40 m是一個(gè)較合適的長(zhǎng)度。當(dāng)然為了提高安全儲(chǔ)備，也可以適當(dāng)延長(zhǎng)堵頭的長(zhǎng)度。

4 結(jié)論

根據(jù)孟底溝水電站導(dǎo)流洞圍巖的地質(zhì)情況，采用三維有限單元法對(duì)孟底溝水電站導(dǎo)流洞施工過程和運(yùn)行期進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到以下結(jié)論。

(1)施工期，堵頭段洞周圍巖整體穩(wěn)定，但在圍巖較差的部位存在局部失穩(wěn)的可能，洞周圍巖開挖引起位移最大接近20 mm，建議對(duì)這些局部圍巖采取錨固、置換混凝土或灌漿等措施。

(2)永久運(yùn)行期圍巖及結(jié)構(gòu)的變形以導(dǎo)流洞的徑向變形為主，最大變形量不超過2.5 mm；永久運(yùn)行期洞周圍巖、堵頭整體穩(wěn)定，襯砌結(jié)構(gòu)滿足抗壓強(qiáng)度要求，但在堵頭上游面附近以及上游面向上游部分襯砌內(nèi)的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，需要加強(qiáng)配筋。

(3)長(zhǎng)度50 m與40 m的堵頭分擔(dān)總推力百分比基本一致，增長(zhǎng)幅度不到1%，因此40 m方案能夠滿足承載的要求，建議堵頭長(zhǎng)度在40 m以上。