石笋河四级电站长距离引水隧洞应力应变分布数值模拟计算分析

杨 刚，刘 健

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 400074)

石笋河四级电站位于重庆市奉节县石笋河。由于石笋河为典型的西南山区河流，水面比降大、水流急、水头落差高，且由于平面布置受限制，需要设置长距离引水隧洞(总长为586.71m)。引水隧洞的埋深为13～252m。尽管采用了衬砌处理，为进一步验证实例工程在开挖过程的受力情况及应变情况，本文拟借助三维有限元软件，通过建立三维数学模型进行研究分析。

1 工程概况

1.1 工程概况

石笋河四级电站位于重庆市奉节县石笋河下游，上距奉节县吐祥镇约22km，下距长滩河双河口3.2km。工程设计等级为四级，正常蓄水位库容为450万m3，调节库容为408万m3。工程多年年均径流量为32411 m3/s，设计洪水位为451.69m，装机容量为2×2400(一期)+4800(二期)=9600 kW，多年平均发电量为2218kW·h。

其中，引水隧洞布置于左岸，为有压隧洞，隧洞长587.72m，引水隧洞为城门洞型，其立面示意图如图2所示，隧洞纵坡坡度为1.5∶10。进口底板高程438.00m，出口底板高程392.71m；沿线地面高程430～690m，埋深13～252m。

1.2 设计洪水

根据工程附近把水寺站水文实测资料进行推算分析，工程段设计洪水计算结果见表1。

1.3 泥沙特性

根据工程附近把水寺站水文实测资料，工程河段多年平均悬移质输沙量为34.16万t；多年平均推移质输沙量约为5.12万t。泥沙输移主要集中在6—10月。

1.4 地形地貌及工程地质

工程区地处新华夏系第三隆起带和第三沉降带之交接部位，亦即川鄂湘黔隆褶带西北缘与四川沉降褶带内二级构造—川东褶带的接合部，其北缘与北西向的大巴山弧形构造斜接、重接复合；在区域构造上属新华夏构造体系。两褶带以齐耀山背斜为界，以南为新华夏系第三隆起带，以北属新华夏系第三沉降带。区内地质构造以褶皱为主，无区域性断裂通过，压性和压扭性断层较发育，但规模不大。齐耀山背斜以东，区域一级褶皱构造均呈NNE向展布，背斜两翼往往不对称，西北翼缓，南东翼陡，轴面时有扭转。齐耀山背斜以西，从SW向NE，主要构造线由NNE走向自然弯转为近EW向，均消失于齐耀山背斜西北侧，成为突向NW的弧形构造带。

石笋河分别流经拦河坝向斜、梁桥背斜、巫山向斜、齐耀山背斜。在构造形式上以褶皱变形为

表1 工程处石笋河设计洪水计算结果

主，断裂少见，区内无深大断裂分布，新构造运动上升作用十分强烈，流水深蚀，形成高崖深谷，背斜成山，向斜成谷，主要山脉走向均与构造线方向一致，使山峰巍峨耸立，巍然壮观。工程区区域构造纲要图如图1所示。

图1 区域地质构造纲要图

2 数学模型建立与计算

2.1 模型建立

建立三维数学模型来分析开挖过程中隧洞的应力、应变情况。模型采用FESWMS计算模块，计算网格采用稳定性最好的三角网格，间距设为5m，局部区域进行加密处理。整个模型共有28560个网格和36350个网格节点。其中，三维网格划分如图2所示。

图2 三维模型建立及网格划分

2.2 模型参数设置

衬砌材料采用C25混凝土，根据试验测定，衬砌部分弹性模量为28.2MPa；泊松比为1∶0.25；重度取24kN/m3；粘聚力为0。

2.3 计算工况分析

选择隧洞开挖50m、200m、400m以及开挖完成为4个典型工况，分析各个工况下隧洞的应力和位移情况。

3 数学模型计算结果与分析

3.1 隧洞最大主应力与最小主应力分布

在4个典型工况下的最大主应力和最小主应力分布变化过程分别如图3—4所示。分析图3、4可知：

(1)在开挖的初始阶段，隧洞周围土体的最大主应力和最小主应力分布较为均匀，具有显著的层次性。

(2)当开挖进行到200m时，隧洞周围的应力分布与初始状态发生显著区别，由于隧洞的支护作用，一部分应力被支护分担，隧洞周围的应力分布显著小于未受扰动的土层。

(3)隧洞开挖至50m时，隧洞周围最大土应力为-25.52×105kPa，最小主应力为-20.00×105kPa；开挖完成后，隧洞周围最大土应力为-29.20×105kPa，最小主应力为-3.37×105kPa，均小于设计阈值，满足稳定要求。

3.2 衬砌应力分布

隧洞在4个典型工况下的衬砌应力分布变化过程如图5所示。分析图5可知：

(1)随着隧洞的不断挖进，衬砌和喷混起了一定的支护作用，承担了部分围岩压力，衬砌周围土

图3 各工况下最小主应力分布云图

图4 各工况下最大主应力分布云图

图5 各工况下衬砌应力分布云图

体压力不断减小，衬砌受到的压应力有所增大。

(2)在开挖初期，衬砌顶板压力较小，最大应力在底板处；随着隧洞不断开挖，底板压力基本保持不变，顶板压力不断增大。

(3)开挖完成后，隧洞衬砌压力值达到最大，为6.19×106kPa，发生在两侧拱顶拱脚位置，但仍小于设计阈值，满足稳定要求。

3.3 隧洞沉降分析

在4个典型工况下的隧洞附近沉降分布变化过程如图6所示。分析图6可知：

(1)随着隧洞的不断开挖，隧洞附近位移开始逐渐增大。在开挖距离小于50m时，位移并不明显，当开挖距离达到200m，隧洞周围出现了比较明显的沉降。且靠近地面的沉降要大于下部土体。

(2)当开挖完成后，隧洞土体沉降达到最大，最大沉降值为0.02m，小于规范要求的0.025m沉降要求阈值，满足稳定要求。

4 结论

长距离引水隧洞通常埋在岩体中，受力特性较为复杂，为提供石笋水电站引水隧洞开挖过程中稳定性依据，本文建立三维数值模型，详细分析了开挖50m、200m、400m以及开挖完成后4组工况下的应力应变以及沉降分布情况。研究结果显示：

(1)隧洞周围最大土应力为-25.52×105kPa，最小主应力为-20.00×105kPa；均小于设计阈值，满足稳定要求。

(2)隧洞衬砌压力值达到最大，为6.19×106kPa，发生在两侧拱顶拱脚位置，仍小于设计阈值，满足稳定要求。

(3)隧洞土体最大沉降值为0.02m，小于规范要求的0.025m沉降要求阈值，满足稳定要求。

综合来看，在施工过程中，实例工程应力、应变值均满足规范要求，设计合理可行。

图6 各工况下隧洞沉降分布云图

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