开建桥电站调压井围岩及支护结构研究

毛拥政

(陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安700001)

1 工程概况

甘洛县开建桥水电站位于尼日河干流下游段凉红～开建桥之间,工程区南距甘洛县18 km。本工程由首部枢纽、引水系统和厂房建筑物组成。首部枢纽由进水闸、泄洪冲沙闸、右岸连接坝及上、下游辅助建筑物组成。引水建筑物由进水闸、暗涵、有压隧洞、调压井和压力管道组成。主厂房为地面式厂房,尾水与尼日河天然来水相接。电站开发方式为低闸引水式电站,除发电外无其他综合利用要求。电站为径流式,发电引水流量98.7 m3/s,额定水头56 m,电站装机容量为3×16MW。

调压井为带上室的阻抗式[1],井筒为39.6 m×7 m×34.02 m(长、宽、高)的方形结构。上室为城门洞形(5 m×7 m)上室面积400 m2,上室底部高程941 m连接管内径4.0 m,见示意图1。

图1 调压井纵剖面图与横剖面图

由于该调压井体形特殊,原设计根据经验临时支护采用喷10 cm厚纤维混凝土,边墙部位采用Φ 25,长度3.0 m～5.0 m的系统锚杆加固,拱顶采用Φ 25,长度4.0 m～6.0 m的系统锚杆进行加固,锚杆间距2 m×2 m,待上一层开挖支护完成后,进行下一层的开挖施工。Ⅱ类围岩距掌子面3.0倍调压井开挖跨度开始喷锚支护,Ⅲ类围岩距掌子面2.5倍调压井开挖跨度开始喷锚支护;永久支护地板、边墙采用1.2 m厚C25钢筋混凝土衬砌。本文在此基础上进行优化。

2 地质概况及计算参数

调压井设置于厂房内侧边坡岩体内,其中心位置离厂房平距约70m,高程950m,坡度平均达47°,为谷坡中下段。斜坡上部自然边坡为38°,表层约7 m～8 m为崩坡积块碎石层(Q4col+al),稳定性差。调压井围岩主要为轻微卸荷的硬质岩,呈中厚层～厚层状顺坡岩体结构,岩体完整性好,不利结构面为层间错动带(C1),产生于相对软弱的凝灰岩夹层中,其与N60节理组的相互组合,构成非稳定结构体,控制井壁岩体稳定性。地质报告建议有针对性的采取局部加固,并注意排除岩体内部细小渗流。

调压井围岩945.00 m高程以上为Ⅲ类围岩,945.00 m高程以下为Ⅱ类围岩,计算采用参数如表1。

表1 开建桥调压井建议地质参数

3 计算工况[2]及优化方案

3.1 施工工况

施工期:初始地应力+开挖地应力释放荷载+围岩与支护相互作用力

其中,开挖地应力释放荷载由开挖的步骤、支护的时机及掌子面推进与分析断面之间的距离来分析计算。根据围岩参数来确定支护时机,Ⅱ类围岩距掌子面3.0倍调压井开挖跨度开始喷锚支护,Ⅲ类围岩距掌子面2.5倍调压井开挖跨度开始喷锚支护。

3.2 运行期工况

计算荷载:初始地应力场+开挖地应力释放荷载+围岩与衬砌相互作用力+外水压力

其中,外水压力通过在隧洞衬砌外侧上施加等效节点荷载来模拟,分别考虑不同的外水水头,衬砌和围岩共同承载或衬砌单独承载,以及同时考虑部分山岩压力。

3.3 优化方案

对于施工期的喷锚支护,本次分析计算以原设计为基础,通过奥地利引进的大型岩土工程数值仿真分析软件FINAL和理工大学岩土所自行研制的大型岩土工程软件包ROCKS对施工的开挖、支护过程进行模拟分析围岩的稳定性,提出优化支护参数。对永久的混凝土衬砌按地板和边墙分别减薄,对支撑梁减少和断面减少进行对比,分析计算确定优化方案,拟定的优化方案见表2。

表2 开建桥电站调压井优化方案

4 计算分析模型

基于文献[3],施工期岩体采用三角形6节点等参元模拟,将岩体视为弹塑性介质,采用Mohr-Coulomb屈服准则判断围岩体在开挖过中的塑性屈服状态;混凝土喷层、衬砌采用曲梁单元模拟,采用弹性本构模型;锚杆采用杆单元模拟,按弹性考虑;断层、混凝土衬砌和喷层之间采用接触界面单元模拟,按弹塑性本构关系考虑,该单元能考虑裂隙的滑移、张开和闭合。

运行期采用六面体20节点高精度实体单元模拟围岩,采用四边形8节点高精度壳单元模拟喷层,如图2。采用接触单元模拟衬砌和围岩间的接触状况。围岩的本构关系采用 Druker-Prager准则。

图2 六面体20节点高精度实体单元

图3 有限元三维网格图

以离开挖洞壁的3倍洞径的区域为研究对象,建立整体三维有限元网格如图3所示,开挖单元如图4所示,调压井分层开挖。图5是模拟的衬砌单元,图6为施加的外水荷载。共33 570个单元,46 800个节点。

图4 开挖单元

图5 模拟衬砌和支撑梁的单元

图6 施加的外水荷载

围岩的本构关系采用Drucker-Prager准则,初始应力场按自重应力[4]。锚杆的模拟采用提高锚杆加固区域强度参数的等效方法[5],即将锚杆加固区的单元的强度参数c提高,以模拟锚杆的加固的作用,通常提高20%～30%,本次三维有限元分析按提高20%进行。

5 计算结果及分析

5.1 施工期

在原设计支护条件下全洞开挖结束后,除了在边墙中部围岩出现不超过0.02 MPa的拉应力外,井壁其余部位围岩均受压,最大压应力出现在边墙底部,其值不超过4.9 MPa。围岩的最大拉应力和压应力均低于岩体的强度,满足强度稳定性的要求。开挖产生的拱顶处最大沉降位移不超过2.5 mm,边墙向洞内的变形最大不超过1.5 mm。

塑性区在顶拱和底板处不超过1.5 m,而在边墙中部偏上的部位为3 m。在整个洞室施工过程中,塑性区均在锚杆支护范围内,锚杆支护有效[6]。

从计算结果分析,原设计的支护结构是偏于安全的,但考虑到调压井断面为高边墙城门洞形,埋深约50 m～70 m,在大量降雨后雨水会渗入引起外水水头的增加,为保证衬砌承受外水时的稳定性,和进行衬砌优化设计,保证衬砌和围岩共同承担外水荷载,更好得发挥较好围岩的自承作用,建议除去所有短锚杆且在边墙中下部换用7.0 m长锚杆,并将锚杆的出露端与衬砌内的钢筋焊在一起有助于衬砌将外水向围岩深部传递,衬砌和围岩联合承受外水压力。

5.2 运行期

原设计方案下衬砌最大变形0.7 mm～0.8 mm,边墙衬砌在Y方向(竖直方向)最大拉应力为0.36 MPa,Z方向(沿长度方向)最大拉应力0.73 MPa。支撑梁截面最大压应力4.5MPa。从计算结果来看应力指标都偏小,进行适当优化应该是安全的。从计算结果来看,几个优化方案都能满足稳定性的要求。选取优化幅度较大的优化方案Ⅳ、Ⅴ方案(见表2)进行分析。

当衬砌按优化方案时Ⅳ,衬砌最大变形1.03mm,边墙衬砌在 Y方向(竖直方向)最大拉应力为0.94 MPa,Z方向(沿长度方向)最大拉应力0.89MPa。支撑梁截面最大压应力为5.75MPa,仍可满足衬砌在外水作用下的稳定性。

当衬砌按优化方案Ⅴ时,衬砌最大变形1.1 mm,边墙衬砌在 Y方向(竖直方向)最大拉应力为1.09 MPa,Z方向(沿长度方向)最大拉应力0.91MPa。支撑梁截面最大压应力为6.5MPa,仍可满足衬砌在外水作用下的稳定性。

考虑到地下洞室的复杂性,以及所研究的目标和对象存在大量的不确定性,本文建议调压井衬砌方案采用优化方案Ⅳ,其有限元计算结果见图7～图9。

图7 总体变形图

6 结 论

(1)由于岩石材料的非线性,其受力后的应力状态具有加载途径性,因此前面的每次开挖都对后面的开挖产生影响,因此对岩石地下洞室进行有限元分析计算必须考虑施工过程。

(2)对于开建桥电站这种比较特殊结构的调压井,通过计算可以看出,随着支撑梁数目的增加,该调压井结构的控制应力都相应减小,采用撑梁的设计思路是正确的,可以有效地减小衬砌的结构尺寸。

图8 y方向剖面

图9 z方向剖面

(3)调压井开挖施工完成后,选择适当的衬砌时机利用围岩还有残余变形,保证围岩、支护、衬砌联合受力,提高建筑物的安全度是很重要的。

(4)由于地下洞室设计的复杂性,岩体结构及其赋存条件和环境的复杂性、多变性等等不确定的因素,进行结构设计、施工时一是要注重基础资料的收集,二是要运用全方位多手段的现场监测工作,及时进行高效的理论分析和经验判断,逐步优化设计和施工工艺。

[1] 潘家铮.水工隧洞和调压室[M].北京:水利电力出版社,2005:12-20.

[2] SL279-2002.水工隧洞设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2002:22-24.

[3] 朱苦竹,李青麒,朱合华.不良围岩条件下水电站调压井衬砌结构选型研究[J].水力发电学报,2007,26(3):44-48.

[4] 黎昀.福堂水电站调压室施工期围岩稳定性分析[J].水电站设计,2001,17(1):39-44.

[5] 黄正家,盛谦,吴相超.江口水电站地下厂房弹塑性数值分析[J].岩石力学及工程学报,2002,21(增刊):2098-2102.

[6] 段乐斋,等.水利水电工程地下建筑物设计手册[M].四川:科学技术出版社,1993:103-127.