输水隧洞大变形处置时机研究与工程应用

(辽宁西北发电有限责任公司清湖电厂，辽宁 开原 112300)

1 工程背景

大风口水库位于辽宁省绥中县前卫镇境内的石河上游，集雨面积251km2，防洪标准为100年一遇，校核洪水标准为5000年一遇，水库的设计洪水位为113.66m，校核洪水位为119.48m。大风口水库的主要建筑有大坝、溢洪道、输水隧洞[1]，最大库容1.5亿m3，该水库是一座兼具防洪、供水、灌溉、旅游等多种功能的大(2)型水利枢纽工程[2]。

为满足绥中火电厂的用水需求，需要新建一条输水隧洞。新建的输水隧洞位于水库大坝的右坝端，在水库原输水隧洞的右侧。输水隧洞由进口明渠、竖井、洞身段、明管段以及出口压力箱组成，全长255m。输水隧洞施工范围内的岩层为全风化、强风化以及中风化砂质板岩，围岩强度低，节理裂隙发育，岩体破碎，差异风化严重，自稳性较差。由于岩体强度低，风化程度高，围岩破碎现象比较严重，同时，由于对围岩的强度估计不足，造成前期支护的强度难以满足围岩应力作用，因而在施工开挖过程中产生大变形，为了保证变形不再加剧，项目部听取相关专家的意见，拟采取注浆锚杆以及临时钢结构支撑等工程技术措施。

2 大变形处置时机研究

2.1 数值模型的构建

离散单元法(DEM)的基本假设是岩体被节理裂隙切割成大小不等的岩块，这些岩块通过镶嵌的方式排列在一起，并处于平衡状态，当计算块体受到外部荷载的作用时，不仅自身会产生位移和应力变化，各个块体之间的位置和作用力也会随之改变[3]。该方法主要是基于上述变化对岩体沿着节理或断层发生的滑移或旋转进行模拟，进而分析岩体工程破坏过程。3DEC是基于离散单元法进行非连续介质力学模拟计算的岩土工程软件，主要适用于节理岩体和砌体结构等存在不连续面的变形与破坏机理研究，在处理这类岩体在外部荷载作用下的静态和动态响应方面具有显著优势[4]。

本次研究中利用有限差分软件FLAC3D建立输水隧洞的全局模型，以便对地表的地形地貌进行较好模拟[5]。在产生大变形的部位则利用3DEC构建局部模型，以便对局部大变形部位的节理变形特征进行深入研究，并以研究结果为指导，确定最合适的工程技术处置措施以及最佳的更换时机。结合相关工程的研究经验，输水隧洞的全局尺寸为740m×560m。由于该段工程为南北走向，将正西方向设置为模型的X轴正方向，将正南方向设置为Y轴的正方向，以竖直向上的方向为Z轴的正方向。基于围岩变形的实际特征，除模型上界为实际地表以外，其余各个方向均设定为固定边界条件[6]。为了准确地研究局部大变形部位的应力和位移等变形特征，以便获得最佳的处置时机，按照大变形的具体部位，利用3DEC软件对0+250～0+290段构建局部模型，边界条件与整体模型一致。

2.2 数值模拟过程

研究过程中，为了获取大变形的实际参数，首先按照原始工程方案中的支护参数进行数值模拟计算，结果显示在2000步计算之后，输水隧洞围岩发生大变形，特别是拱顶围岩的沉降变形最为剧烈，达到了85mm。如不采取有效措施，变形必将快速发展，最终导致输水隧洞施工段塌方，因此，在模拟计算中将支护参数进行了调整，在施加临时支撑钢架结构的相关参数后，继续进行模拟计算，直至模型趋于平衡，也就是围岩不再产生位移变形为止。此时，输水隧洞的拱顶沉降总量为271mm。因此，本文研究中将该值作为输水隧洞最大变形值。在常规施工方式下，一般是拱顶的沉降量达到最大时进行处置，对该工程而言，则是达到271mm时进行大变形初支更换[7]。基于本次研究的主要目的，模拟计算中将处置时机进行适当提前，以进行对比分析，获得最佳支护时机。因此，设定当输水隧洞拱顶沉降量分别达到最终位移量的100%、95%、90%、85%、80%、75%和70%时进行初支更换，共得到工况1～工况7共7种不同的计算工况。具体模拟计算的过程是：对每一种计算工况，当输水隧洞拱顶的沉降量达到预设值时，即删除长度为65.0m的支护块体单元，并在没有任何支护的条件下进行500步计算，使模型计算本身尽量契合拱架拆除后的无支护状态。然后将模型参数更换为强化支护后的参数并继续进行计算，直至围岩不再发生变形。

2.3 计算结果分析

利用构建的模型，对大变形在不同变形时机处治后，重新达到稳定后塌方断面的主应力进行计算，由计算结果可知，在工况7条件下，输水隧洞围岩部位会产生范围较大的应力集中区域，特别是左侧拱腰和拱脚部位的应力集中情况最为明显，应力值在4.60MPa以上；工况6和工况5相对于工况7，围岩的应力集中现象有所改善，应力集中区域有所减小，但是最大应力值有所增加，达到5.22MPa；工况4和工况3相对于工况5，无论是最大应力值还是应力集中区域的范围都有所减小，在工况3条件下，围岩的最大应力值减小到4.99MPa；在工况1条件下，应力的集中区域又进一步减小，但是最大应力值相对于工况3呈现出小幅上升。由此可见，结合应力集中区域和最终应力值两项指标，工况3为最佳处置工况，也就是当围岩拱顶沉降量为最终变形量的90%时进行处置最佳。

图1 处置时的位移占最终位移的百分比

由于3DEC模型属于离散单元模型，且每个节理的面积均有所不同，这就造成仅对节理破坏的数量进行统计的结果缺乏说服力[8]，因此，本次研究中基于模型模拟计算的结果，对发生破坏性变形的节理面积进行统计，结果见图1。由图1中的结果可知，在工况3条件下，也就是输水隧洞围岩拱顶的沉降变形为最终位移值的90%时实施初支更换，失稳节理的面积最小。综合上述，推荐变形达到最终位移值的90%时进行大变形初支更换，以达到最佳支护效果。

3 工程应用及效果分析

3.1 工程应用

为了验证上述结论在实际工程中的应用效果和价值，将其用于辽宁省大风口水库新建输水隧洞工程。该工程由于出口段不良地质因素的影响，在后续施工中仍旧出现多段围岩大变形现象。为了检测围岩变形数据，在工程施工过程中每隔10m均设置有围岩变形参数的监测断面，以便对围岩初期支护后的周边收敛变形以及拱顶的沉降变形进行实时监测。各断面具体布置见图2。

图2 监测断面测点布置

在施工过程中，桩号0+563～0+571和0+621～0+630段均出现了围岩大变形，两段的长度相当，分别为8m和9m，且输水隧洞的埋深、地表分布以及应力环境相似。因此，对前一段按照传统方法处置，也就是拱顶的沉降量达到最大时进行处置，对后一段则按照本文的结论，当拱顶变形达到预期最终位移的90%即更换初支。

3.2 围岩变形监测结果

上述两个输水隧洞围岩大变形段开挖后以及初支更换过程中，整理了相关监测数据(结果见图3和图4，图中Ut为围岩稳定情况下的拱顶最终沉降量，拉应力为负值，压应力为正值)。由图3可知，在对输水隧洞围岩大变形段采取临时钢支撑措施后，围岩拱顶的沉降变形速度明显降低，沉降值从最终沉降量的90%达到100%历时18天。从最终的变形来看，在达到围岩拱顶最终沉降量的90%时进行处治与传统处置方法的沉降量基本相同，但是输水隧洞围岩的周边收敛值有一定减小，说明采取本文的处置方案，不仅不会对输水隧洞围岩的稳定性造成负面影响，还可以在一定程度上减轻围岩变形。而从处治完成时间上看，采用本文结论的处置时机，也就是在拱顶沉降量达到最终沉降量的90%时进行处置，仅需要37天时间即可实现围岩变形的完全释放，比传统方法提前23天，这对于缩短施工工期具有重要价值。

图3 隧洞拱顶沉降监测结果

图4 隧洞周边收敛监测结果

4 结 论

本文以辽宁省安大风口水库新建输水隧洞为对象，进行了大变形处置时机方面的研究，利用FLAC3D和 3DEC相结合的方法，构建起输水隧洞的全局和大变形部位局部模型，利用数值模拟研究的方法对处治时机进行了优化。认为拱顶沉降量达到最终沉降量的90%时为最佳处置时机

通过大风口水库新建输水隧洞的现场验证，采用理论研究获得的最佳处置时机，不仅不会对输水隧洞围岩的稳定性造成负面影响，还可以在一定程度上减轻围岩变形，大幅缩短工期，有利于安全快速地完成隧道大变形处治。