水工隧洞围岩稳定及支护结构优化研究

江新春

(黑龙江省通河县乌鸦泡镇农业综合服务中心，黑龙江 通河 150900)

1 工程概况

白龙江橙子沟水电站位于甘肃省武都市境内，枢纽主要效益为发电，兼具防洪灌溉，工程规模为三等中型工程，大坝正常蓄水位891.50m，坝顶高程895.50m，最大坝高19m，电站设计水头50.3m，电站总装机容量115MW，多年平均发电量1.4亿度[1]。

引水隧洞位于白龙江右岸，隧洞全长约17.2km，为有压引水隧洞，纵坡降为1/515。引水隧洞为圆形断面，洞径10.5m，Ⅲ、Ⅳ类围岩衬砌形式为钢筋混凝土结构，Ⅱ类围岩衬砌为底部素混凝土及顶部喷射混凝土，洞内流速分别为3.01、2.21m/s。

2 有限元分析原理

2.1 材料破坏和屈服准则

混凝土及岩体破坏采用Drucker-Prager屈服准则[2]：

(1)

式中I1为第一应力不变量，J2为应力偏量第二不变量。

混凝土和岩石的开裂判断采用最大拉应力准则：

σ1>σt开裂
σ1≤σt不开裂

(2)

式中：σ1为最大拉应力；σt为材料的抗拉强度。

滑移屈服采用Mohr-Coulomb准则，层间岩体的开裂破坏采用最大拉应力准则。

2.2 非线性方程组求解[3]

转变Kp的迭代公式：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 计算分析

3.1 隧洞计算参数

隧洞选取断面设计参数见表1，围岩分类及物理参数[4]见表2。

表1 计算断面及参数

表2 围岩分类及岩体力学参数值

3.2 有限元划分

衬砌单元网格图见图1，计算范围上部取至地面，左右和下部各取70m，由于无实测地应力资料，竖直方向取自重应力，水平向构造应力为侧压力系数模拟，取值0.8和1.0。

图1 衬砌围岩网格图

3.3 计算分析

工况荷载组成：内水压力(静水压力+水击压力)+外水压力+围岩压力+衬砌自重+弹性抗力。

软岩围岩变形的时间效应较为明显，本工况按极端情况考虑，即所有围岩变形的压力荷载都施加在支护系统上。图示结果为当侧压力系数在1.0时，衬砌结构的应力变形结果见图2至图6。不同侧压力系数的围岩应变统计表见表3。

根据计算结果分析，虽侧压力系数不同，衬砌应力最值在设计规范允许值内。钢支撑应力平均在57MPa左右，远小于普通钢的容许应力，该设计方案中钢支撑体现作用不大。本极端情况分析表明，外压作用时支护系统强度可以保证洞室稳定。

表3 不同侧压力系数的围岩应变统计表

图2 围岩衬砌内轴力

图3 围岩衬砌内弯矩

图4 围岩衬砌内侧环向应力

图5 围岩衬砌外侧环向应力

图6 衬砌钢支撑应力

4 围岩衬砌厚度优化分析

围岩段的二衬钢筋混凝土衬砌厚度，原设计根据内压的大小采用30cm和50cm两种方案[5]。现再取45cm和40cm进行计算分析，讨论合理的衬砌厚度。计算时取最大的内压和外压进行分析。

4.1 外压情况的计算结果

此工况仅考虑外压和自重，模拟施工和检修情况。不同衬砌厚度的围岩应变结果见表4。

表4 围岩衬砌应变结果表

计算表明，在128m外压作用下，衬砌厚度减至40cm时，衬砌中的最大压应力为5.26MPa，在混凝土允许抗压强度内。因衬砌全断面受压，可按最小配筋率进行配筋。衬砌厚度的设计不受外压影响。

4.2 内压情况的计算结果

计算时仅考虑内压，内压取最大值84.5m，此情况模拟无外水压力的情况。计算结果见表5。

表5 围岩衬砌应变结果表

计算表明，在最大内压作用下，衬砌最大拉应力已超出混凝土的设计抗拉强度。可见衬砌厚度的设计受内压控制。

4.3 内压和外压共同作用的情况

实际衬砌有很大可能受外水压作用。下面取两种外压(128m，60m)进行计算分析，结果见表6。

表6 围岩衬砌应变结果表

计算表明，在内压84.5m，外压128m作用下，衬砌基本受压；当外压降至60m时，衬砌已全部受拉，衬砌厚度为40cm时的最大拉应力为0.616MPa，在混凝土设计抗拉强度内。故认为外压超过60m的洞室围岩，衬砌厚度可降至40cm。在内压84.5m，外压128m作用下，衬砌全断面受压，按最小配筋率配筋即可；外压减至60m时，衬砌逐渐受拉。

4.4 灌浆区围岩弹模提高10%的计算结果

计算结果见表7。

表7 各量的最大值

计算表明，灌浆区弹模提高10%，衬砌压应力降低，拉应力增加，变化幅度较小在5%左右，和外压相比，衬砌拉应力降低的效果要小。故灌浆可作为设计衬砌的后续方案。初步结论：对Ⅲ类围岩，二衬衬砌厚度的设计受内压控制。对外压60m以上的洞室围岩，衬砌厚度可降低至40cm，减小工程量，降低工程造价。

5 结 论

基于非线性原理和材料屈服破坏原则，结合实际水工隧洞建立三维有限元模型，计算隧洞在一、二衬联合受力下的洞室应力应变，提出衬砌结构的设计优化方案，综合认为，钢支撑设计应结合地质条件决定，在外水压不高的地段，开挖后施加系统锚杆，可提升围岩局部稳定性，挂网素喷混凝土中设置排水孔，可确保一衬和围岩的整体稳定，达到工程建设的安全稳定和经济合理。