于秀英

（凌源市興源街道水利站，遼寧凌源 122500）

1 工程概況

勝利水電站是一座以發(fā)電和防洪為主，兼有其他諸多功能的大型水利樞紐工程，同時也是渾河的重要支流蘇子河梯級開發(fā)的重要工程。電站的壩址位于遼寧省新賓縣勝利村境內(nèi)[1]。電站大壩為混凝土重力壩壩型，按照30年一遇洪水標準設(shè)計，按照百年一遇洪水標準校核，設(shè)計水位和校核水位高度分別為146.78m和148.07m，設(shè)計庫容6.98億m3[2]。勝利水電站的發(fā)電引水隧洞位于大壩右岸，其進口部位的圍巖等級較低，主要由全風化到強風化泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成。軟巖地下洞室開挖工程施工初期的流變效應(yīng)往往會給施工工作造成嚴重影響，根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件，進洞之后的前30.0m采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，然后進行大管棚注漿加固。在圍巖基本穩(wěn)定之后，利用三臺階仰拱法開挖施工，之后進行流水開挖。

2 加固方案設(shè)計

2.1 施工現(xiàn)狀

由于發(fā)電引水隧洞進口部位的圍巖質(zhì)量較差，屬于全風化V級圍巖。其中隧洞的洞底在開挖過程中出現(xiàn)了大量的滲水現(xiàn)象，造成洞底基底軟弱，同時洞底的下沉導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)的拱架變形和襯砌混凝土開裂等比較嚴重的變形。鑒于情況比較嚴重，為了保證施工安全及建成后的引水隧洞能夠穩(wěn)定運行，對引水隧洞進口100.0m以內(nèi)的引水隧洞洞底進行注漿加固，以提升洞底的承載力，達到控制隧洞變形，保證施工安全進行的目的[3]。

2.2 加固措施

結(jié)合洞底軟弱基底的實際情況，擬采用注漿加固的方式。具體措施為將該洞段洞底的C15混凝土換填為1.5m，下部采用注漿鋼花管進行注漿，間距為1.5m×1.5m，梅花型布置。但是，考慮到回填深度和注漿管長度會對隧洞變形造成比較明顯的影響[4]，研究中設(shè)計1.0m和1.5m兩種不同的回填深度，以及4.0m和8.0m兩種不同的注漿花管長度，設(shè)計出如表1所示的5種具體加固方案。針對不同的加固方案，利用數(shù)值模擬分析方法對隧洞的應(yīng)力和位移特征進行模擬計算分析，并對各種方案進行評價，以獲取最優(yōu)的加固方案，為施工的順利進行提供必要的支持。

表1 具體加固方案m

3 有限元計算模型的構(gòu)建

3.1 FLAC3D有限差分軟件

FLAC是ITASCA公司開發(fā)的一款專門應(yīng)用于巖土工程分析的大型有限元差分分析軟件[5]，其中FLAC3D是FLAC二維計算程序的三維擴展，在功能上有了較大的提高和改善，可以有效模擬三維巖土體材料的力學(xué)特征，非常適合巖土材料大變形模擬分析，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地下洞室、邊坡穩(wěn)定性評價、隧道、深基坑等諸多領(lǐng)域[6]。由于該軟件可以利用應(yīng)變增量數(shù)值，循序計算獲取應(yīng)力增和平衡力，能夠十分準確地模擬材料的流動特征和塑性破壞，大大優(yōu)于有限元降階法。因此，此次研究選擇FIAC3D有限差分軟件進行進口開挖洞段的有限元模型構(gòu)建。

3.2 有限元計算模型的構(gòu)建

結(jié)合勝利水電站引水隧洞入口V級圍巖洞段的實際情況，選擇典型斷面K+013進行有限元計算模型的構(gòu)建。根據(jù)初始工程設(shè)計，K+013斷面埋深較小，最大埋深為36.0m，該斷面為2.8m×3.0m城門洞型斷面設(shè)計。根據(jù)巖土力學(xué)領(lǐng)域的理論和實踐經(jīng)驗，地下洞室工程開挖施工對圍巖的影響主要集中于5倍洞徑以內(nèi)的區(qū)域[7]。為了保證計算的精度和研究結(jié)果的科學(xué)性，同時考慮計算量，研究中以10倍洞徑為標準確定模型的計算范圍。

在模型計算過程中，以垂直于隧洞中心線指向右側(cè)的方向為X軸正方向；以隧洞中線指向下游的方向為Y軸的正方向；以豎直向上的方向為Z軸正方向。FLAC3D軟件中提供了豐富的網(wǎng)格單元類型，結(jié)合研究需求和工程實際，對構(gòu)建的幾何模型利用六面體等參數(shù)單元進行網(wǎng)格單元劃分；對隧洞附近區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格單元的平均邊長為0.8m，其余部位的網(wǎng)格單元平均尺寸為4.0m。整個模型劃分為12367個網(wǎng)格單元，14560個計算節(jié)點。

3.3 約束條件與計算參數(shù)

邊界條件是影響模型構(gòu)建和計算結(jié)果科學(xué)性、準確性的重要因素。為了適應(yīng)不同研究對象的實際情況，F(xiàn)LAC3D軟件提供了類型豐富的邊界條件。結(jié)合本文研究的目的，對構(gòu)建的模型選擇位移邊界條件和應(yīng)力邊界條件。具體而言，忽略模型上部的碎石影響，僅考慮全風化泥質(zhì)粉砂巖的影響，在模型的上部邊界施加0.35MPa法向均布荷載，在模型的兩側(cè)施加1.04MPa的水平荷載，以模擬隧洞上部圍巖自重的應(yīng)力影響。研究中結(jié)合開挖實際，每個臺階開挖3.0m，共完成3個臺階的開挖，共9步。模型的上部為自由邊界條件，在模型的左側(cè)和右側(cè)施加水平位移約束，模型的底部為全位移約束條件[8]。模型材料的物理力學(xué)參數(shù)也是影響計算結(jié)果準確性的重要因素，研究中結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)和相關(guān)研究經(jīng)驗，確定如表2所示的模型材料物理力學(xué)參數(shù)。

表2 模型材料計算參數(shù)

4 計算結(jié)果與分析

4.1 應(yīng)力

在模型應(yīng)力計算結(jié)果中，提取研究洞段基底中心和端側(cè)的應(yīng)力值，結(jié)果如表3所示。由表3的結(jié)果可知，在加固方案1條件下，基底中心和端側(cè)應(yīng)力值最大，并表現(xiàn)為壓應(yīng)力，這說明采取加固措施對減小圍巖應(yīng)力水平具有重要作用。加固方案3的基底中心壓力值最小，為-46.04MPa；計算方案5的端側(cè)應(yīng)力值最小，為-60.47MPa。由此可見，從地基受力分析的視角來看，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側(cè)應(yīng)力計算成果MPa

4.2 位移

在位移模擬計算結(jié)果中，提取隧洞拱頂、拱腰和仰拱等3個關(guān)鍵部位的位移數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4所示。由計算結(jié)果可以看出，采取加固措施對約束隧洞襯砌變形具有十分顯著的作用。從數(shù)據(jù)來看，加固巖土體越深，對拱頂沉降變形的控制效果并不是越好。在同樣的回填深度條件下，加固深度為4.0m的兩個方案的拱頂沉降量明顯小于加固深度為8.0m的兩個計算方案。

表4 位移計算結(jié)果mm

從拱腰收斂變形來看，方案2和方案3的收斂變形量相對較大，方案4和方案5的收斂變形量相對較小，由此可見，水平應(yīng)力和變形與回填深度的關(guān)聯(lián)度較高，回填深度為1.5m情況下，拱腰的收斂變形量明顯偏小。

從仰拱位移來看，方案2和方案4表現(xiàn)為向上位移，方案2在控制仰拱位移方面優(yōu)于方案4；方案3和方案5表現(xiàn)為向下位移，方案3在控制仰拱位移方面優(yōu)于方案5。總體而言，方案4在控制仰拱位移方面效果最佳。

綜上，方案4在拱頂沉降、拱腰收斂及仰拱位移控制方面，均可以取得最佳效果。鑒于方案4和方案5的應(yīng)力計算結(jié)果比較接近，沒有明顯的差別，因此推薦方案4為最佳加固方案。