阿尔塔什水利枢纽埋藏式调压井穹顶施工数值仿真

吴俊杰

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 研究背景

近年来，国内外专家学者致力于地下埋藏式调压井的结构设计、开挖施工支护措施[1]。张少炫等[2]介绍了乌东德水电站左岸地下埋藏式调压井穹顶的设计参数、施工重点与难度、主要质量安全及技术保障措施以及开挖、支护的施工技术。邓拥军等[3]介绍了糯扎渡水电站尾水调压井穹顶工程地质条件、施工风水电布置、施工技术难点及开挖支护施工技术。闭少刚[4]介绍了猴子岩水电站地下厂房锚索结构设计、施工工业及主要技术方案。田树申等[5]介绍了溧阳抽水蓄能电站调压井穹顶在遇见不良地质条件下采用中导洞先行，两侧盘旋开挖与支护的施工方法，砂浆锚杆与预应力貌似相间布置后进行挂网喷护的联合支护手段，最终效果较好。何寨兵[6]介绍了惠州抽水蓄能电站工程中的调压井穹顶爆破开挖技术。邓洋等[7]采用三维非线性有限元法计算了蓄集峡水电站埋藏式调压井在无支护条件下的围岩应力变形特征，以及采用喷锚支护措施后岩体塑性区与变形的影响。成少君[8]介绍了水电站调压在受施工场地及不良地质条件限制不能用机械施工时，在确保施工安全、质量、工期的前提下，最终采用“先导井后扩挖”全人工施工工艺。大多数深埋藏式调压井穹顶的开挖都是制定施工方案，缺少全面评价施工方案合理可行性的计算成果[9-16]。如若在调压井开挖前期全面计算围岩稳定性，开挖、支护的合理性，这对此类工程的施工方案制定具有一定指导作用。

阿尔塔什水利枢纽工程发电洞调压井顶拱为球冠型[17]，横向跨度23 m，国内外类似工程发电洞深埋式调压井都很少遇见如此大跨度的洞室开挖，可借鉴案例较少。根据现场施工情况，施工单位制定初步开挖方案，然而，调压井面临上部围岩较薄、开挖跨度大，施工单位开挖大跨度穹顶经验较少，为了安全起见，尝试采用三维有限元法，全面、完整地掌握地下埋藏式调压井穹顶开挖支护过程中围岩的应力变形状况，评价本工程地下埋藏式调压井穹顶施工顺序的合理性，并提出更合理的开挖支护方案。

2 工程概况及施工方案

2.1 工程概况位于新疆维吾尔自治区莎车县的阿尔塔什水利枢纽工程承担灌溉、防洪、发电等综合任务，并且每年向塔里木河进行3.3亿m3的生态供水。水库总库容为22.40亿m3，正常蓄水位1820 m，最大坝高164.8 m，装机总量为690 MW，设计年发电量为22.65亿kW·h，控制灌溉面积为412.7万亩，工程规模为大（1）型Ⅰ等工程[18]。两条发电洞分别布置在坝体右岸，1#、2#调压井体型一致，调压井位于地下56～67 m范围内，属于地下埋藏式调压井，顶拱均为球冠型，球冠横向跨度23 m，调压井拱顶中心高程1846.00 m，竖井底部高程为1735.44 m。调压井上室底部高程为1819.20～1820.6 m（坡降1/100），顶部高程1831.80 m。调压井纵、横剖面图，如图1所示。

图1 调压井纵、横剖面图

2.2 发电引水洞地质条件发电引水洞调压井上覆岩体厚度56～67 m，调压井顶拱上部围岩为白云质灰岩，厚度20～40 m，其上部为石膏层、泥质砂岩、砂质泥岩厚度在25～30 m左右，该段整个岩体都比较完整，属于Ⅲ类围岩。调压井底以上40 m至顶拱围岩为白云质灰岩，次块状结构，主要发育L1、L2两组裂隙，岩体较完整，为Ⅲ类围岩。调压井底以上19 m至40 m围岩为泥质砂岩、白云质灰岩及石膏夹层，互层状结构，岩体结构面以层面为主，岩层倾角约为40°，岩体完整性差，为Ⅳ类围岩。调压井底至19 m，围岩为泥岩、砂岩、灰岩互层，多为软质岩，互层状结构，受F102影响，岩体完整性差或较破碎，围岩稳定性差，以Ⅳ类围岩为主。调压井底以上15～33 m范围内发育F102，顺层发育，该段倾角约为40°，破碎带厚度2.5～4 m，主要为断层角砾岩，并伴生厚度0.9 m的石膏层，洞壁干燥无地下水。根据地质勘测结论可知，围岩应力以自重应力场为主。

2.3 开挖方法施工现场提供的开挖次序如图2所示。具体开挖次序①—⑤，第①步利用3#交通洞钻爆台车开挖环形导洞，后续第②—⑤区开孔进行爆破。从3#交通洞与两个调压井相接处（高程1833.0 m）分别沿3#交通洞洞底高程（1833.0 m）开挖一条环形导洞，导洞断面为8 m×9.456 m（宽×高）城门洞型。在顶拱中部预留7 m直径的圆柱形岩体，最后分层开挖中心岩柱。开挖过程中台车高度不够时在导洞底部垫渣。

2.4 支护方法一次支护型式：砂浆锚杆直径2.5 cm，长8.5 m，采用间距2 m×2 m梅花形布置。100 t级预应力锚索采用间距5 m×5 m梅花形布置，挂网喷护的钢筋直径为8 mm，间距0.2 m×0.2 m，采用C30混凝土喷护厚度0.2 m，井筒以下采用直径2.5 cm长4.5间距2 m×2 m的砂浆锚杆，8.5 m长Φ25@2×2m砂浆锚杆，3根9 m长Φ25@2×2m锚筋桩，I18工字钢，Φ8@200×200 mm挂网钢筋，C30喷混凝土进行支护。

图2 调压井穹顶开挖施工顺序（单位：m）

3 三维有限元分析

3.1 有限元计算模型及网格剖分调压井穹顶为拱形结构，主要分担顶部围岩传递来的竖向荷载，为竖井开挖支护提供安全施工平台。本次通过建立调压井三维有限元实体模型，围岩采用8结点6面体实体单元，结点数为50 275，单元数为48 122。锚杆结点总数为1781，单元总数为1644。预应力锚索结点总数为550个，单元总数为528个。预应力锚索、系统锚杆采用杆单元进行模拟，预应力施加采用虚拟温度控制锚索的轴向应力引起的伸缩变形，以便让预应力锚索达到设计施加吨位后在适合时间再进行预紧。施工开挖、一次支护、二次支护过程采用单元生死控制，岩体看作是理想弹塑性材料，本构采用摩尔库伦模型并采用非相关联流动法则。整体模型边界条件：底面全约束，各个竖向面约束法向位移。计算参数如表1所示，剖分网格如图3所示。

图3 调压井二次支护及竖向开挖三维有限元整体模型图

3.2 计算参数根据前期试验成果及经验类比，提出穹顶饱和岩体物理力学参数建议值，具体参数如表1所示，预应力锚索的线性热膨胀系数取1×10-5，弹性模量为208 GPa，泊松比为0.3。

3.3 数值模拟工况往往施工开挖方案在制定过程中多借助成功经验或传统结构力学法，该方法不能充足考虑及量化各个施工环节和工序对围岩应力变形的影响，因此，采用三维有限元数值模拟的方法计算此类施工方案的合理性。本次计算时考虑岩体的初始地应力及现场实际开挖方案，制定数值模拟开挖次序，计算的方案采用施工方提供的方案，采用“新奥法”中的分部开挖方式进行开挖，为了安全后续开挖也做适当调整。具体开挖次序如图4所示。

3.4 开挖与一次支护过程仿真成果分析为了缩短工期，加快施工速度，施工现场在开挖穹顶时提出先开挖1～8步的环形导洞，之后直接将图4中的12步中导柱开挖完，通过初步计算按照不支护开挖来说，穹顶竖向最大竖向变形为14.5 mm，沿着穹顶与竖向井筒交接处的塑性分布范围较深，向下继续开挖执行13～16步。穹顶竖向最大竖向变形为15.5 mm，见图5，虽然未超过顶拱最大允许变形挠度为1/1000L为23 mm，但是对于工程安全富裕较小。同时，顶部部分区域出现局部拉应力，后续开挖过程中顶部会产生局部掉块对整个施工安全造成一定影响。因此，不采用任何支护方式直接开挖方案是不可行的。

表1 材料参数表

图4 调压井顶拱、锚杆、预应力锚索施工顺序

图5 调压井顶拱无支护开挖位移与应力云图（单位：位移m，应力Pa）

通过初步分析可知，中导柱对穹顶竖向变形及塑性范围影响很大，因此，设计人员认为，在中导柱开挖之前尽可能将设计要求的系统锚杆与100 t预应力锚索支护施工完毕，之后再开挖中导柱，根据穹顶变形以及应力塑性区分布情况，制定了二次支护的必要性，以下是具体分析过程。

根据现场情况先开挖1～8步，得到环形导洞岩体位移场与应力场，最大竖向位移为5.570 mm，根据规范要求，小拱室顶拱最大允许变形挠度为1/1000L，即8 mm，表明小拱室开挖不会出现顶拱塌落现象。但是，很明显顶拱边缘竖向变形较大，局部区域出现拉应力，最大拉应力区域在拱肩上，如图6所示。由于该处岩体原先处于受压状态，一旦处于受拉状态后，岩体可能会产生局部掉块的可能，因此，在开挖1～8步的圆形导洞时，尽快进行喷锚支护，才能进行后期中导柱开挖。

为了能安全施工采用先支护再开挖的方案，第9～11步施加系统锚杆与100 t预应力锚索，计算成果如图7所示，刚打入锚杆和预应力锚索后没有加预应力时，没有扰动围岩应力场与位移场，围岩的整体位移与应力场均没有改变，同时，锚杆与锚索上的应力为0 Pa，表明在没有施加预应力之前锚杆与预应力锚索本不应该存在应力，这样才符合现场锚索穿入岩体后再预紧的实际情况，保证后续计算的准确性。为了后续能够安全施工，通过预紧预应力锚索，提高穹顶整体刚度，限制竖向变形，采用对角线方式同时预紧锚索，开始预加95 t，顶部的竖向变形从-5.570 mm减小至-5.080 mm。可见初期预加95 t的锚索在收缩后，将穹顶上提了0.490 mm。

图6 1～8步调压井顶拱开挖位移与应力云图（单位：位移m，应力Pa）

图7 第9～11步调压井顶拱支护后的位移云图（单位：位移m，应力Pa）

第一次预紧完后，围岩应力场调整一段时间后，再开始第二次预加至115 t，顶部竖向位移从-5.080 mm减小至-4.979 mm。顶部预留足够安全赋予之后，方可开挖中导柱，去除之后穹顶失去支撑，此时，穹顶竖向位移由-4.979 mm增至-7.655 mm，增加量为34.9%，由于穹顶在预应力锚索与砂浆锚杆的共同作用，穹顶变形增量不大。

为了能够明确后期竖向开挖对穹顶受力以及对锚杆和预应力锚索的影响，调压井内部高110.56 m，考虑竖向开挖井筒对穹顶会造成不同程度的影响，根据圣维南定理，井筒深度对穹顶的影响有限，所以只考虑30 m的竖向开挖，边开挖边支护直到1816.00 m高程为止，此时砂浆锚杆轴力增大37.5%，预应力锚索张拉应力有所增大，但还在安全范围之内。13～16步开挖表明：井筒竖向开挖时对上部穹顶存在一定影响，顶部穹顶竖向变形从-7.655 mm增大至-7.915 mm，穹顶砂浆锚杆轴力由5 t增至8 t，导致后续开挖的安全储备变小，一次支护后，穹顶还存在区域掉块的可能性，因此，在开挖井筒岩体时，需要对顶部加强支护。

图8 不支护与支护开挖后穹顶最大变形量（图中正值表示穹顶竖直向下变形累计量）

图8列出不进行支护与一次支护后穹顶竖向变形，可知进行支护后，对穹顶施工及向下开挖都是有利的，然而，向下开挖依然需要进行二次支护。

3.5 二次支护措施计算成果分析通过1～16步计算成果表明，穹顶需要进行二次支护才能进行竖向开挖。本次提出采用1.5 m厚的圈梁支撑穹顶，为后续竖向开挖提供安全施工场地，以下是圈梁布置形式见下图9。

图9 穹顶混凝土圈梁示意图

通过上述开挖及支护后施加圈梁、系统锚杆、预应力锚索，计算得出穹顶圈梁与衬砌的大主应力云图，如图10所示。

图10 衬砌拉应力云图（单位：Pa）

由于施工方提出该方案衬砌有一部分深入开挖平台，形成了一个卡口，该处在受到顶部向下的变形及圈梁自重后，会出现剪切应力集中，该处需要进行加强配筋。衬砌与圈梁交接处受到顶部圈梁的作用内口出现小量的拉应力区域，但是衬砌由于自重作用，竖向位移与圈梁不一致，该交界处没有水溢出所以不建议作插筋。顶部圈梁在受穹顶围岩后期变形影响后向下变形，同时，两侧竖向圈梁受围岩向内的挤压，出现向内的变形，需要进行锁脚。圈梁顶部上缘受拉区域位于顶拱中间上部需要配筋，上缘中层中间部位最大拉应力1.25 MPa，上缘外层中间部位最大拉应力1.125 MPa，该处需加强配筋。

4 结论

按照施工单位提供的开挖方案，采用三维弹塑性有限元，开展了调压井穹顶施工数值仿真分析，得到结论为：

（1）在无支护开挖穹顶时，穹顶局部区域出现拉应力，岩体可能会产生局部掉块，因此，开挖完环形导洞后，应尽快进行喷锚支护，才能进行后期中导柱开挖及下部竖井开挖。

（2）当中导柱开挖后，由于穹顶在预应力锚索与砂浆锚杆的共同作用分担了一部变形，此时，竖井开挖对穹顶整体变形及应力分布也有一定影响。对穹顶进行二次支护后，可以给竖井开挖提供安全的施工平台，根据现场施工情况反映混凝土穹顶作为二次支护效果较好。

（3）对于大跨度地下结构穹顶开挖而言，采用环形导洞开挖、系统锚杆、预应力锚索及圈梁穹顶支护等方式，有效地控制了岩体变形和塑性区开展，保障了开挖施工及运行期安全。目前阿尔塔什枢纽已在蓄水，调压井安全运行，根据施工单位反馈穹顶变形量很小且基本稳定。