立洲水电站调压井不同施工方案三维非线性有限元分析

王 莎，朱俊松，王万千，王蔚楠，陈建康

立洲水电站调压井不同施工方案三维非线性有限元分析

王 莎1，朱俊松2，王万千1，王蔚楠1，陈建康1

（1.四川大学水利水电学院，成都 610065；2.中国市政工程西南设计研究总院，重庆 610081）

就调压井而言，其施工期的围岩稳定、结构受力特性是设计中须深入研究的关键技术问题之一。以立洲水电站调压井工程为研究对象，应用三维非线性有限元法对其不同方案的开挖支护效应、应力变形规律、围岩稳定及衬砌结构内力分布等开展了较为深入系统的研究，揭示该工程调压井不同施工方案井壁围岩、边坡的应力变形、塑性区分布规律及其稳定性，提出了推荐施工方案、建议优化措施等。上述研究成果为该工程优化设计提供了重要的参考依据。关 键 词：调压井；三维有限元；应力变形；围岩稳定

在“十二五”期间，中国西部将有一批水电工程投入建设和运营，其显著特点：工程区水文与地质环境复杂，高地应力，高地震烈度，坝高库大，地下厂房、调压井等规模宏大。因此调压井施工期的围岩力学特性、受力条件及与之对应的应力变形特征和失稳破坏规律、衬砌结构受力特性也成为调压井设计中的重大难点。因此，运用有限元数值模拟对软弱地质条件下调压井围岩稳定性及结构的受力特性进行研究具有工程指导意义。

1 工程概况

立洲水电站引水系统采用“一洞一室三管”的布置形式。调压井及压力管道位于厂房西侧山脊上，南侧为龚家沟，北东及东侧为木里河。该工程调压井为露顶圆筒阻抗式，最大开挖直径为27.4 m，井筒高度为147.25 m；其周围围岩属稳定性很差的Ⅳ和Ⅴ类围岩，即井筒自上而下97 m范围内为Ⅴ类围岩，易发生倾倒破坏、楔形体剪切滑移破坏。针对立洲调压井开挖断面较大且围岩自稳能力差，结构受力复杂等条件，运用三维非线性有限元数值模拟，拟定3种方案进行调压室施工期围岩稳定性研究，通过分析，提出最优施工方案，为该工程的设计和施工提供有价值的借鉴和参考。

2 调压井围岩开挖过程及支护措施模拟

2.1 调压井围岩分级开挖模拟方法

立洲调压井开挖采用“开挖释放荷载”方式，即先加载再开挖来模拟开挖作用效应。首先由自重作用下的初始地应力场确定第1级开挖边界上的初始应力｛¯σ0｝，然后去掉第1级开挖岩体（一般将模型单元的刚度设置为0），将｛¯σ0｝中开挖岩体作用于开挖面的法向正应力及切向剪应力反向施加于开挖边界，具体计算第1级开挖释放荷载｛q1｝见下式［1］，即

式中BT为岩体节点的应力转置矩阵。

可得到第1级开挖释放荷载作用形成的洞室岩体第1级附加位移场与附加应力场｛▽u1｝，｛▽σ1｝，因此，第1级开挖完成时边坡的一次应力场和位移场为［2］：

由此可计算第2～N级开挖释放荷载｛q2｝～｛qn｝，以及相应分级开挖产生的附加位移场｛▽u2｝～｛▽un｝与附加应力场｛▽σ2｝～｛▽σn｝，由此可推出第2～N级开挖完成时的各级应力场为

每级开挖单独作用形成的位移场为

第i级开挖井筒围岩累积位移场为

调压室围岩在上述开挖过程中，只要确定了井筒岩体开挖高度和开挖面边界，运用有限元计算软件［3］，即可求得开挖边界上的等效释放荷载、附加位移场和应力场。

2.2 调压井分级开挖支护措施的模拟

调压井作为地下洞室开挖的一种，锚杆和锚索作为一种临时和永久支护已得到广泛应用。加锚岩体的变形和强度参数会有较大提高，可提高锚杆加固区域围岩的强度参数来模拟锚杆的加固作用。通常将锚杆加固区的单元的强度参数凝聚力C值提高，本文提高15%～30%。

在立洲调压井分级开挖过程中，边坡围岩属于覆盖层，岩性差，需施加预应力锚索来提高边坡围岩强度；对于预应力锚索的模拟，采用施加一对锁固力。

在进行立洲调压井的开挖过程模拟时，根据调压井开挖完成后井壁破坏部位及发育程度，确定系统锚杆的布置方案。并在每级开挖完成后及时进行系统锚杆支护，系统锚杆支护参数根据各调压井周边围岩和边坡的围岩类型各不相同［4］，立洲调压井主要设置Φ25，＠1.5 m×1.5 m，L＝6.0 m；Φ28，＠1.5 m× 1.5 m，L＝9.0 m的2种锚杆。

在调压井分级开挖过程中，混凝土喷层的模拟是将它及时同级喷护，并与围岩协调变形，共同承担围岩变形产生的应力。

混凝土衬砌结构的模拟是在各级开挖过程中，对立洲调压井位于井筒上部的锁口段滞后一级将混凝土衬砌形成，并与围岩及混凝土喷层协调变形，共同承担围岩变形产生的应力；而井筒衬砌结构的模拟，采用“先开挖及时锚喷支护，后衬砌施工”的方式进行模拟。

3 调压井不同施工方案分级开挖和支护程序

针对立洲调压室开挖内径大，所属围岩为Ⅴ或Ⅳ类，岩体质量差等特点，拟定调压室采用3种方案进行分级开挖，见表1。

方案一，无喷锚支护条件下分级开挖；方案二、三，分级开挖的同时，及时跟进喷锚支护，锁口段混凝土衬砌滞后一级施工程序。

表1 立洲水电站调压室计算方案Table 1 Computational schemes for the surge chamber of Lizhou Hydropower Station

其中调压室开挖过程方案一分为27级，平均每8 m为一开挖层；方案二、三为28级；根据拟定的分级开挖顺序和进度安排进行有限元模拟计算，具体开挖支护程序见图1。分别计算模拟各方案调压井自上而下的分级开挖过程，分析开挖施工各步骤围岩的位移、应力特征及可能出现的破坏部位、发育深度及分布范围。

图1 立洲调压井分级开挖流程Fig.1 Stepped excavation for the surge tank of Lizhou Hydropower Station

4 有限元模拟范围及材料参数

4.1 模拟范围

立洲调压井三维有限元计算选取调压井结构和较大范围围岩体作为整体研究对象［5］，其中有限元计算模型铅直向底部取至1 810.00 m高程，约1.35倍井高，上部延伸至地表，以调压井中心轴线为界，上游取210 m，下游侧取250 m；前后侧各取140.0 m（约5倍筒径），井台高程前后侧计算边界围岩厚度约120.0 m。有限元计算坐标系选定为：

x轴沿调压井引水隧洞方向（上下游侧），轴向方位N56.2°W；

y轴垂直调压井引水隧洞水流方向（前后侧），轴向方位N3°E；

z轴与x和y垂直，且沿井筒高程方向铅直向上。

根据横、纵剖面岩层分界线，地形等高线及调压井轮廓，并考虑分级开挖程序进行有限元三维建模；离散中锁口混凝土、喷层、衬砌结构和围岩采用空间8节点等参实体单元，系统锚杆采用只计入轴向刚度的锚杆单元模拟。整个计算模型共剖分为100 327个节点和99 680个单元。压井三维有限元计算网格见图2所示。

4.2 材料参数

根据调压室地勘资料和地质剖面图揭示，立洲调压井2 058.47 m高程以上97.0 m范围为Ⅴ类围岩，（单位弹抗系数k0＝500 MPa／m，变形模量E0＝0.5～1 GPa），2 058.47 m高程以下至调压井阻抗板底部为Ⅳ类围岩，围岩条件仍然很差。有限元计算模拟了调压室的所处的三维地形、覆盖层和几个风化层岩带等。调压室井筒衬砌混凝土、锁口混凝土按C25混凝土考虑，贴坡和喷层混凝土为C20。其力学参数汇总于表2、表3。

图2 立洲水电站调压井有限元计算网格Fig.2 Finite element computing girds for the surge tank of Lizhou Hydropower Station

表2 调压井围岩与覆盖层物理力学参数地质建议值Table 2 Suggested values of physical and mechanical parameters for the surrounding rock and overburden layer of the surge tank

表3 锚杆、混凝土、钢筋等材料物理力学指标Tab le 3 Physical and mechanical indexes for the anchor rod，concrete，and steel

根据设计提供资料，可以确定立洲调压室内底板高程为2 011.25 m，最高涌浪水位高程为2 145.72 m，井外最高水位为2 083.45 m。

5 成果分析

通过对立洲水电站调压井工程三维非线性有限元模拟分析，研究成果已应用于实际工程设计，主要成果总结如下。

5.1 调压井不同开挖方案围岩变形分析

调压室四周围岩均向井内变形，同一高程变形表现明显不对称性，上游侧大于下游侧，前、后侧基本相等，呈“椭圆型”变形。变形受开挖面释放荷载、井周围岩类别及各侧埋深控制。

调压井不同方案下，纵向变形分布规律如表4所示。

表4 开挖高2 088.00 m三方案y＝0纵剖面洞壁最大变形对比Table 4 Com parison ofmaxim um longitudinal deformation of the lining in three schemes（h＝2 088.00 m and y＝0）

3个方案开挖变形规律大致相同，井壁变形上游侧大于下游侧，量值随开挖高程降低先增后减，至高程2 088 m附近达到最大，主要是该高程附近区域处于风化层与微新基岩交界带，围岩质量变化较大所致。井筒开挖支护约束作用明显，井壁水平向变形相对无支护减小，开挖面铅直向变形变化甚小。锁口段与井筒支护段，方案二、三变形规律与方案一基本一致，但都较方案一量值有所减小。

5.2 不同开挖方案应力分析

3个方案大主应力σ1整体上随高程降低而递增。方案一开挖面应力最大值12.55 MPa（第27级开挖高程2 008.75 m与隧洞交汇处）；方案二喷层承受围岩压力，应力达34.14 MPa；方案三应力值相比方案二减小明显，最大值18.81 MPa（高程2 008.75 m与隧洞交汇处）。

从小主应力σ3分布来看，方案一井筒拉应力分布范围一般在开挖层中部，量值较小，不超过－0.5 MPa；方案二拉应力普遍大于方案一，主要分布在当级开挖层中部围岩及锁口段与围岩交汇处，最大值－10.41 MPa发生在第15级开挖高程2 112m井壁上游侧；方案三与方案二应力分布规律相同，最大值－1.42 MPa发生在高程2 155 m上游侧锁口处。

3个方案应力分布规律基本相同，同一高程井周应力分布存在明显不对称性，即上游侧大于下游侧，左右侧基本相同，喷层及锁口砼内壁压应力水平一般大于外壁。方案二在结构突变处（锁口砼厚度有变化）拉应力很大，疑有应力集中现象，方案三拉应力值变化比较稳定。

5.3 3个方案塑性区分布规律

3个方案围岩塑性发育、分布规律大体相同，即井周围岩塑性区分布不对称，上游侧围岩埋深大，开挖卸荷效应明显，塑性区比较发育；下游侧围岩埋深相对较浅，无明显塑性区；井壁左右两侧围岩埋深接近，塑性区发育较为对称；塑性区发育深度方案一最大，方案二、三基本相同，较方案一有大幅减小。从点安全系数等值线分布图（见图3至图5）可知，开挖边坡上游存在大量小于1.2的区域，支护、锚固效果明显，提高了调压室围岩的稳定性和安全性。从图3至图5可见，边坡存在大量塑性区，建议增加抗滑桩。

图3 方案一第27级（最后一级）开挖y＝0横剖面塑性区分布、等值线图Fig.3 Plastic zone distribution and contour map of the horizontal profile at the last step（27th）in scheme 1（y＝0）

图4 方案二第28级（最后一级）开挖y＝0纵剖面塑性区分布、等值线图Fig.4 Plastic zone distribution and contour map of the longitudinal profile at the last step（28th）in scheme 2（y＝0）

图5 方案三第28级（最后一级）开挖y＝0纵剖面塑性区分布、等值线图Fig.5 Plastic zone distribution and contour map of the longitudinal profile at the last step（28th）in scheme 3（y＝0）

6 结 论

本文结合立洲水电站调压井工程三维非线性数值模拟研究课题，拟定3种施工方案，并对不同方案下的井筒结构应力、变形，以及围岩稳定性进行了较为深入的分析和探讨。分析结果表明：围岩变形，塑性区分布，方案二、三均与方案一有明显相似的分布规律，但在量值上均较方案一有所减小。在应力分布方面，方案二的小主应力普遍大于方案一，方案三的应力分布虽与方案二规律相同，但比方案二小；大主应力方案三比方案二明显减小。方案三施工过程衬砌厚度与锚杆长度均小于方案一、二，节约了施工成本。综合考虑以上因素，选取方案三为最优施工方案。上述研究成果，为该工程的优化设计提供了重要的参考依据。

［1］ 周荣祥，王秋生.用ANSYS模拟岩土开挖的两种方法［J］.甘肃科技，2005，21（10）：135－138.（ZHOU Rong-xiang，WANG Qiu-sheng.Two ANSYS-Based Methods for Excavation Simulation［J］.Gansu Science and Technology，2005，21（10）：135－138.（in Chinese））

［2］ 毛拥政.四川省尼日河开建桥电站工程调压井围岩及支护结构稳定性分析及优化研究［D］.西安：西安理工大学，2006.（MAO Yong-zheng.Stability Analysis and Optimization of the Surge Shaft Surrounding Rock and Supporting Structure for Kaijianqiao Hydropower Station on Niri River in Sichuan Province［D］.Xi’an：Xi’an University of Technology，2006.（in Chinese））

［3］ 杨兴国，符文熹，曹 竹.复杂地质条件下大型调压井关键施工技术数值仿真优化分析［J］.四川大学学报（工程科学版），2006，38（4）：5－9.（YANG Xing-guo，FUWen-xi，CAO Zhu.Numerical Modeling on Key Construction Schemes of Large-scale Surge Tank under Complex Geological Conditions［J］.Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2006，38（4）：5－9.（in Chinese））

［4］ 李启升.高边墙地下调压室衬砌结构工作性态研究［D］.南京：河海大学，2006.（LIQi-sheng.Work Behavior of Lining Structure of Underground Surge-chamber with High SideWall［D］.Nanjing：Hohai University，2006.（in Chinese））

［5］ LEE PL，ZHOUW，CAMERON IT.Constrained Generic Model Control of a Surge Tank［J］.Computers and Chemical Engineering，1991，15（3）：191－195.

（编辑：曾小汉）

3-D Nonlinear Finite Element Analysis of Surge Tank of Lizhou Hydropower Station in Different Construction Schemes

WANG Sha1，ZHU Jun-song2，WANGWan-qian1，WANGWei-nan1，CHEN Jian-kang1
（1.College ofWater Resources and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Southwest China Municipal Engineering Design Research Institute，Chongqing 610081，China）

The surrounding rock stability and structural load bearing features of surge tank in construction period are key technical issues in the design.The surge tank of Lizhou hydropower station in different construction schemes is taken as an example to research the excavation supporting effect，stress deformation law，surrounding rock stability，lining structure stress distribution and reinforcement.The research is carried out through 3-D nonlinear finite elementmethod.The stress deformation and plastic zone distribution and stability of the lining surrounding rock，and slope stress in different schemes are revealed.Construction scheme and optimizationmeasures are recommended.The research result provides reference for the optimization design of the project.

surge tank；3-D finite element；stress deformation；surrounding rock stability

TV732.51

A

1001－5485（2012）12－0083－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.017 2012，29（12）：83－87

2011－10－19；

2011－11－22

王 莎（1987－），女，辽宁鞍山人，硕士研究生，主要从事山地灾害与防治研究，（电话）15982296885（电子信箱）694193545＠qq.com。