回归应力场下的大型地下岔管围岩稳定及衬砌结构分析

何 琼，刘小兵，曾永忠

（西华大学能源与环境学院，四川 成都 610039）

0 引言

根据实测点反演研究区域的初始应力场是地下洞室围岩稳定性分析的首要工作。工程实践表明，初始地应力不但是影响岩体力学性质的重要控制因素之一，也是在岩体所处环境条件发生改变时引起变形和破坏的重要力源之一。因此，初始地应力场的确定历来是岩石力学的一个重要课题[1－2]。目前，国内外研究初始应力场的方法很多，主要有用有限元数学模型回归分析初始应力场的方法[3]；适合求解优化问题的人工智能方法，如遗传算法[3]和人工神经网络[4]；在有限元模拟中，也常采用多元线性回归与逐步回归相结合的方法[5]。

在地形和地质条件允许的情况下，地下岔管往往采用钢筋混凝土岔管，以便充分利用围岩来承担内水压力，从而减薄衬砌厚度，达到结构安全、经济合理的目的。然而，由于岔管的主支管交叉部位空间结构复杂，容易出现应力集中导致衬砌开裂，尤其在高围压、高内外水压力情况下，围岩及结构的稳定性问题突出[6－7]，从而成为地下岔管设计及开挖施工技术重点关注的关键技术问题。

本文结合某水电站地下尾水岔管段区域地形地质条件及岔管结构特点，运用三维非线性有限元法，利用多元线性回归与逐步回归相结合的方法反演了初始地应力场，在此基础上研究了开挖后不同工况下衬砌及围岩的内力分布和变形情况，对岔管衬砌厚度等相关影响因素进行敏感性分析，以验证其是否满足强度和使用要求[8－9]，为地下岔管的开挖设计和加固处理提供科学依据。

1 工程概况

该水电站总装机规模1500 MW，单机容量250 MW，共6台机组，额定水头259.00 m。其尾水系统由6条尾水支洞、4个 “Y”形岔管、2条尾水主洞、尾水调压室及下水库出 （进）水口等建筑物组成。尾水岔洞布置区地表高程为150～180 m，隧洞埋深200～230 m，尾水岔管洞径从6 m渐变至10 m。该段主要有F10、F11、F21、F25、F27、F28和 F32等NWW或近SN走向的断层发育，断层规模相对较大。其中F10、F32断层破碎宽度大于10 m，且性状较差，其余断层破碎带宽度多为1～3 m，受断层影响，岩体完整性差，岩体透水性强。围岩以Ⅳ、Ⅲ2类为主。

2 初始应力场回归分析

2.1 三维有限元计算模型

尾水岔管段地应力回归和围岩稳定性分析采用同一个三维有限元模型，主要考虑的结构包括:两个尾水岔管 （共4个）以及1号岩脉 （F32断层）、3号岩脉 （F10断层）、F27断层、F46断层等构造结构面。三维有限元模型中，各方向至少考虑3倍的最大开挖跨度。具体计算范围为:X向沿尾水主洞纵轴线选取纵向 （包含2个尾水岔管，以及2个测点）长500 m；Y向垂直尾水主洞纵轴线方向取共320 m；Z向为铅直向，底部取至高程-150 m，上部延伸至地表 （最低高程约124.7 m；最大高程约245.0 m）。三维有限元计算模型及主要洞室局部网格透视参见图1。

2.2 围岩力学参数及实测点应力情况

有限元建模过程中模拟了尾水岔管段主要岩性分区以及断层、裂隙等主要结构面，计算时采用设计提供的围岩力学参数值见表1。衬砌及喷层采用C30混凝土，其力学指标见表2。

为了查明岔管区岩体地应力的大小、方向及分布规律，在主厂房附近勘探平硐两个铅直孔内进行了平面应力测试。测试成果见表3。

2.3 地应力回归原理及回归分析

图1 尾水岔管系统三维有限元模型

表1 尾水岔管段围岩及衬砌结构物理力学参数

表2 钢筋混凝土衬砌材料主要特征参数设计值

表3 水压致裂法地应力测试成果

根据高地应力环境中岩体力学机制基本为准连续介质体的特点，假定厂区岩体为连续弹性介质，由三维有限元法可分别计算出自重、u1向 （顺河向）和u2向 （横河向）单位构造位移单独作用条件下所形成的应力场σg、σu1、σu2，由线性叠加原理，岔管区域内任意测点位置的岩体初始地应力σ0（k）为[10]

经分析，各测点地应力实测资料具有较好的整体代表性。回归分析中选择主厂房勘探平硐两个铅直孔内的 5个测点 ZK06-1、ZK06-2、ZK07-1、ZK07－2和ZK07－3进行反演，在尾水岔管段地应力的回归计算模型中，5个实测点的位置严格建立的节点上。通过回归分析建立了回归方程

式中，i=1～NN（NN为计算域内高斯点数与6个应力分量数的乘积）。

对各测点实测应力和有限元法回归反演的应力值进行对比分析。从回归应力分量与实测应力分量之间的比值来看，各应力分量的比值均在0.97～1.08之间，表明回归方案的整体反演效果较好。从尾水岔管段回归应力分量对比关系看，呈现σz＞σy＞σx分布特征，铅直应力大于水平向应力，平行岔管洞轴线方向的水平应力σx大于垂直尾水岔管洞轴线方向应力σy，表明回归应力场仍然以自重应力场为主，但在水平方向存在一定的构造作用。

3 典型工况下尾水岔管段衬砌结构特性的敏感性研究

3.1 典型工况及荷载组合

（1）完建工况。荷载组合为 “衬砌自重+回归应力场30%的开挖释放荷载+外水压力与回填灌浆压力之大值”。计算中假定支护前后应力释放比例为7∶3，相当于开挖完成后隔一段时间再进行衬砌；衬砌完建期外水压力取1.1 MPa；回填灌浆压力取0.4 MPa。

（2）正常运行工况。考虑正常运行工况下对衬砌结构最不利情况，荷载组合为 “衬砌自重+山体压力+最大静水压力+水击压力”。其中，尾水岔管最大静水压力为0.92 MPa（对应下库设计洪水位），最大水击压力为0.2 MPa。

（3）检修工况。荷载组合为 “衬砌自重+山体压力+外水压力”。外水压力取0.8 MPa（取尾调最高涌浪水位作为地下水位，按0.75的系数折减）。

3.2 尾水岔管段衬砌结构特性的敏感性分析

针对不同的衬砌厚度对尾水岔管段结构特性进行对比分析。其中，原方案 （L1）岔管段衬厚为1.2 m，L2方案和L3方案岔管段衬厚分别为1.5 m为1.8 m。对3种方案在完建、运行及检修工况时的结构特性进行对比分析。表4和表5分别给出了3种方案岔管段衬砌位移和最大拉应力的量值及分布情况。

从表4可以看出，当尾水岔管采用不同衬砌厚度时，岔管段衬砌位移在量值上呈现出随衬砌厚度的增大而减小的趋势。完建工况下岔管段衬砌的位移量最大，在岔档段局部有2.43 mm。以正常运行工况尾水岔管岔裆处为例，衬砌厚度为1.2、1.5 m和1.8 m时，衬砌向洞外侧最大扩张变形值分别为0.66、0.52 mm和0.50 mm。不同的岔管衬砌厚度对各尾水主支洞衬砌变形的影响较小，甚至可以忽略不计。

表4 不同衬砌厚度尾水岔管系统各洞段最大变形

表5 不同衬砌厚度尾水岔管系统各洞段最大拉应力

从表5可以看出，当尾水岔管段采用不同衬砌厚度时，岔管段衬砌拉压应力在量值上呈现出随衬砌厚度的增大而减小的趋势。运行工况下岔管段衬砌的拉应力量最大，在岔档段局部有－5.99 MPa。以正常运行工况尾水岔管岔裆处为例，当岔管段衬砌厚度为1.2、1.5 m和1.8 m时，岔裆处衬砌最大拉应力分别为－5.99、－5.88 MPa和－5.86 MPa。由于尾水岔管段的岔裆部位空间结构复杂，存在明显的拉压应力集中现象，不同衬砌厚度时岔裆处最大拉应力远大于C30混凝土的抗拉强度 （－1.5 MPa）。不同的岔管衬砌厚度对各尾水主支洞衬砌应力的影响较小，甚至可以忽略不计。正常运行工况下，3种衬砌厚度衬砌拉应力极值均大于C30混凝土抗拉强度，必须配置相应的钢筋，方可确保衬砌结构安全。

从典型工况下岔管衬砌应力及位移分布情况看，运行工况是控制工况，应该根据运行工况下岔管段的应力水平进行配筋计算。

4 结论

（1）采用多元线性回归与逐步回归相结合的方法，对实测点应力进行反演，得到的自重、顺河向构造、横河向构造回归系数分别为1.145、0.0107、0.0449，使得回归值与实测值拟合程度较好。应力呈σz＞σy＞σx分布，回归应力场仍然以自重应力场为主，但在水平方向存在一定的构造作用。

（2）地下岔管段开挖后洞室周围岩体的位移、应力分布符合一般规律，不同工况及不同衬砌厚度对围岩稳定性有较大的影响。

（3）尾水岔管段分别采用1.2、1.5 m和1.8 m的衬砌厚度时，岔管段衬砌位移、拉应力随衬砌厚度的增大而减小，且衬砌厚度为1.5 m和1.8 m时差别很小。完建工况下岔管段衬砌的位移量最大，运行工况下岔管段衬砌拉应力量最大。衬砌厚度对各尾水主支洞衬砌变形及应力影响较小。

（4）运行工况为该工程的控制工况，根据运行工况下岔管段的应力进行配筋计算。

（5）由于尾水岔管岔档部位结构复杂，存在拉压应力集中现象，衬砌应力部分超过混凝土的抗拉强度，建议适当加强岔裆部位衬砌的局部配筋。

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