轿顶子电站泄洪洞和引水隧洞并行段施工方案研究

潘特

（岫岩满族自治县水利事务服务中心，辽宁岫岩满族自治县114300）

1 工程背景

轿顶子电站位于辽宁丹东宽甸满族自治县太平哨镇轿顶子境内的北股河干流上，是一座以发电为主，兼有防洪和灌溉等诸多功能的综合性小型水利工程，也是辽宁省十三五重点水利工程项目之一[1]。轿顶子电站坝址以上集雨面积293 km2，按照百年一遇洪水标准设计，千年一遇洪水标准校核，设计水位293.5 m，对应库容0.87 亿m3。水电站的主要建筑物包括混凝土重力坝、副坝、溢洪道、泄洪洞以及引水发电系统[2]。

受到地形和地质等方面因素的制约，轿顶子电站的泄洪洞和发电引水隧洞均设计于大坝的左侧，泄洪洞和引水隧洞线路设计时为了避开左侧山体中的SK03 断层，在进水口以下有240 m 的并行段且距离仅有15～20 m。虽然在线路设计上避开了断层破碎带，但是并行段基本处于弱风化的安山玢岩地层结构中，局部分布有辉绿岩和强风化流纹岩，洞身段的围岩类别以Ⅲ类为主，末端围岩类别为Ⅳ类，强度较低、稳定性差。由于泄洪洞和引水隧洞之间的距离较近，两者在施工过程中的影响不容忽视。在以往的研究中，主要是考虑新建隧洞对原有隧洞的影响，而并行施工过程中面临的力学问题无疑更为复杂[3]。基于此，此次研究通过数值模拟的方法，对泄洪洞和输水隧洞施工过程中的相互影响和应力位移特征进行研究，以确定最为合理的施工方案，为工程的顺利进行提供必要的保障。

2 有限元计算模型的构建

2.1 软件选择

Midas GTS NX 2019 是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件，作为一个全面的有限元分析软件包，可处理各种岩土工程设计应用，支持静力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、固结分析、施工阶段分析、边坡稳定分析等多种分析类型，适用于各种实际工程的准确建模与分析，并提供了多种专业化建模助手和数据库[4]。同时，该软件作为新一代岩土分析软件，应用了最尖端的图形和分析技术，可以支持最新的OS 图形用户界面。直观的界面将使新用户能够轻松地将软件集成到他们的工作流程中。此外，该软件还集成了混合网格生成功能，该功能可创建使用六面体和四面体元素的最佳组合网格集，在建模复杂几何形状的较尖锐的曲线和拐角时更有效[5]。鉴于该软件的优势和此次研究的实际需求，利用Midas GTS NX 2019 进行研究对象的有限元模型构建。

2.2 模型的构建

为了保证模拟结果的科学性和准确性，结合相关研究经验，确定模型的计算范围为隧洞的上下各40 m，左右各50 m，模型的长、宽、厚分别为124 m，85 m 和30 mm[6]。其余围岩部分利用相应的压力荷载施加于模型上部边界，两隧洞之间的间距设定为15 m。对隧洞的支护结构和周边的围岩部位进行网格加密处理。考虑围岩的塑性变形，围岩岩体采用Druncker-Prager 模型本构的实体单元[7]；隧洞的初支结构采用弹性本构单元，锚杆则采用弹性本构植入式桁架单元。整个模型划分为96 681 个计算单元，102 420 个计算节点，模型的网格单元划分如图1 所示。

图1 有限元模型示意图

2.3 计算参数

结合相关研究成果和工程实际情况，在数值模拟分析中进行如下假定：研究洞段的围岩为各向同性材料，模型采用Druncker-Prager 准则进行围岩和支护结构的计算研究，在计算过程中不考虑构造应力，仅考虑自重应力[8]。模拟计算中采用的材料物理力学参数如表1 所示。

表1 围岩物理力学参数

2.4 计算工况

此次研究的主要目的是针对不同施工方案下的围岩应力位移影响模拟计算，获得最佳的施工方案。受到场地等施工要素的影响，同时两隧洞的间距较小，因此不同时开挖施工。基于此，研究中对泄洪洞和引水隧洞设定不同的开挖顺序和不同的二衬施作顺序，构建起不同的计算工况，具体如表2 所示。

表2 计算工况设计表

3 计算结果与分析

3.1 围岩应力

利用已构建的有限元模型，对不同计算工况下的隧洞围岩应力进行计算，并从计算结果中提取最大和最小主应力计算成果，结果如表3 所示。由表3 可知，工况1 和工况2 相比，工况2 条件下的泄洪洞和引水洞的最大应力相对较小，说明先开挖贯通泄洪洞对引水洞原始岩体的应力存在比较大的影响，因此先进行引水洞的开挖施工有利于围岩稳定；工况3 和工况4 的对比结果显示，工况4 的最大和最小主应力值相对较小，说明二衬施作的顺序对围岩应力场存在一定的影响，先进行泄洪洞的二衬施作更为有利。

表3 围岩主应力计算结果MPa

3.2 围岩位移变形

利用已构建的有限元模型，对不同计算工况下的隧洞围岩水平和竖向位移进行计算，并从计算结果中提取拱顶和底板的竖向位移以及拱腰的水平位移的最大值，结果如表4 所示。表4 中，由工况1 和工况2 的结果对比可知，工况2 的拱顶沉降变形较小，同时引水洞拱腰的水平位移偏差较小，这说明工况2 的引水洞偏压性较小。因此，泄洪洞先开挖贯通对围岩变形的影响相对较大。由工况3 和工况4 的对比可知，工况4 不仅围岩的位移值相对较小，且偏压性也相对较小，因此工况4的隧洞结构更为稳定。从工况2 和工况3 的对比可知，工况2 主要表现为两侧拱腰向内收敛变形，工况3 则表现为右侧向内收敛，左侧向外扩张，呈现出显著的左偏压特征。

表4 围岩位移变形最大值计算结果mm

3.3 初期支护应力

利用已构建的有限元模型，对不同计算工况下的初期支护应力进行计算，并从计算结果中提取初期支护的最大拉应力和压应力值，结果如表5所示。由表5 可知，各工况下的最大压应力和拉应力均出现在引水洞的右拱脚部位，从应力值的具体数值来看，工况1 的最大压应力和拉应力值明显偏大，其余3 个工况的拉应力和压应力值均比较接近。总体来说，工况2、工况3 和工况4 的初支相对更为稳定。但是，工况2 和工况3 的最大拉应力值均超过喷射用C25 混凝土的最大容许拉应力值1.78 MPa，因此在施工中需要在引水洞右拱脚部位采取必要的加固措施。

表5 初期支护主应力计算结果MPa

4 结论

此次研究以轿顶子电站泄洪洞和引水隧洞并行段为例，利用数值模拟的方法对小净距并行水工隧洞的施工方案进行研究分析，获得的主要结论如下：

1）从围岩应力场来看，先开挖贯通泄洪洞对引水洞原始岩体的应力存在比较大的影响，因此先进行引水洞的开挖施工有利于围岩稳定；二衬施作的顺序对围岩应力场存在一定的影响，先进行泄洪洞的二衬施作更为有利。

2）从位移计算结果来看，泄洪洞先开挖贯通对围岩变形的影响相对较大，工况4 的隧洞结构更为稳定。

3）从初支应力计算结果来看，工况2、工况3和工况4 的初支相对更为稳定，但是工况2 和工况3 的最大拉应力值均超过喷射用C25 混凝土的最大容许拉应力值。

综合计算结果，工况4 应该为施工的最佳工况，也就是按照先开挖引水洞后开挖泄洪洞，先进行泄洪洞的二衬施作，后进行引水洞二衬施作的施工顺序进行施工建设。