导流泄洪洞进口卵砾石洞段开挖工法优化研究

武子桓

（辽宁西北发电有限责任公司，辽宁沈阳110116）

1 工程概况

三湾电站是辽宁省十三五重点水利工程项目，是一座以防洪和发电为主，兼有其他多种功能的综合性水利工程。电站坝址位于丹东凤城市东汤镇三湾村境内的爱河干流上[1]。电站工程主要由大坝、溢洪道、导流泄洪洞及发电引水工程组成。其中，电站的大坝为浆砌石拱坝坝型设计，最大坝高66.00 m，坝轴线长231.10 m；大坝上游水库的设计库容为 2 430 万 m3，设计装配 3×8 MW 贯流式水力发电机组，装机总容量为24 MW。三湾水电站的导流泄洪洞主要承担施工期间的导流和电站运行期间的泄洪任务[2]。导流泄洪洞位于大坝右岸，上部是典型的低山丘陵地貌，同时相对埋深仅为15 m 左右，且岩体较为松散，其中存在较多的裂隙和断裂破碎带，较小的埋深和复杂的地质条件给开挖施工工作造成了诸多困扰。穿越卵砾石层的地下洞室工程条件复杂，施工难度较大，对其施工工法进行研究具有重要的工程实践价值。为了保证施工的顺利进行，首先需要结合工程设计和地质环境特点，选择合适的施工工法。基于此，工程项目部初步拟定了三台阶法和七步开挖法，通过对比和优选确定最佳的施工工法[4]。

2 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[5]。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最佳组合的网格集，在建模复杂几何形状较尖锐的曲线和拐角时更有效[6]。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，对不同施工工法下的典型部位位移进行模拟计算，以获取最佳施工方案。

2.2 计算模型

根据相关研究成果，地下洞室工程在开挖完毕后，距离开挖断面中心点5～7 倍开挖直径的范围内存在围岩应力应变的影响[7]。为了保证结果的准确性，研究中的计算模型边界取10 倍洞径，模型的长度为50 m，最终确定模型的尺寸为80 m×50 m×80 m。计算模型以隧洞中线指向下游的方向为Y轴正方向，以垂直于Y轴指向右侧的方向为X轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向。对模型的底部施加全位移约束，模型的左右两侧施加X方向位移约束，模型的前后施加Y方向位移约束，模型的上部为自由边界条件[8]。对模型进行六面体八节点实体单元划分。

2.3 参数选取

为了简化模型，提高模型的计算效率，对研究洞段的围岩采用摩尔-库仑本构模型，支护结构混凝土按线弹性本构模型处理；初支结构和二次衬砌的厚度分别为27 cm 和45 cm，均采用板单元模拟；系统锚杆直径22 mm，长4.0 m，采用植入式桁架单元定义；超前小导管的加固循环为6.0 m，在预加固完成之后，围岩的粘聚力、内摩擦角及弹性模量可以分别提升90%，50%和95%左右。结合上述分析及工程资料，确定如表1 所示的模型物理力学参数。

表1 模型物理力学参数

3 计算结果与分析

利用已构建的计算模型，对采用三台阶开挖施工工法下的隧洞位移进行模拟计算，从结果中提取拱顶沉降和周边收敛变形量进行统计计算，结果见表2。由表2 可以看出，从拱顶沉降占总位移的比例大小来看，上台阶最大、中台阶次之、下台阶最小；从周边收敛占总位移的比例来看，其排列顺序分别为中台阶、上台阶和下台阶。从位移计算结果来看，如果对研究洞段采用三台阶法开挖，下台阶开挖过程中的位移变形量相对较小，而上台阶和中台阶开挖过程中的位移变形量相对较大。

表2 三台阶法位移变形计算结果

利用已构建的计算模型对采用七步法开挖施工工法下的隧洞位移进行模拟计算，从结果中提取拱顶沉降和周边收敛变形量并进行统计计算，结果见表3。由表3 可以看出，上台阶开挖过程中的拱顶沉降量占比最大，其次是中台阶核心土，第三次是下台阶核心土；上台阶开挖过程中的周边收敛变形量占比也最大，中台阶左，第三次中台阶右。总体来看，上台阶与核心土在开挖过程中会导致较大的位移变形。

表3 七步法位移变形计算结果

对比表2 和表3 可以看出，三台阶开挖法的拱顶沉降位移量的最大值为40.25 mm，七步法的最大值为35.22 mm；七步法的位移变形量相对较小，具有较为明显的优势，推荐在工程施工中采用。

在确定采用七步法进行进口段开挖施工之后，需确定合理的开挖步长，为施工的顺利进行提供必要的支持。研究中设计了0.5，1.0，2.0，3.0 m等4 种不同的开挖进尺，利用构建的数值模型进行位移变形模拟计算。根据计算结果，绘制出拱顶沉降变形量和周边收敛变形量随开挖进尺的变化曲线，如图1 所示。从图1 看，随着开挖进尺的增大，拱顶沉降和周边收敛变形量均呈现出不断增大的变化特征。同时，当开挖进尺较小（小于1.0 m）时，拱顶沉降和周边收敛变形量的增加幅度相对较小，当开挖进尺较大（大于1.0 m）时，拱顶沉降和周边收敛变形量的增加幅度开始迅速增大。结合计算结果，同时考虑工程施工的经济性，建议采取1.0 m 的开挖进尺。

图1 位移变形随开挖进尺变化曲线

4 结论

此次研究是利用数值模拟的方法对辽宁省三湾水电站导流泄洪洞进口的开挖施工工法和施工参数进行比选和优化研究，得出：1）施工如果采用三台阶法，拱顶沉降和周边收敛变形主要出现在上台阶和中台阶开挖过程中；如果采用七步法，拱顶沉降和周边收敛变形主要出现在上台阶和核心土的开挖过程中；2）两种开挖施工工法位移量的对比显示，七步法的位移变形量较小，建议在工程施工中选用；3）同时根据模拟计算结果，考虑工程施工成本，施工中应选择1.0 m 的开挖进尺。