东牙溪水库改造工程隧洞进水口开挖方案比选探析

张正茂

(福建省明兴工程建设有限公司，福建 三明 365000)

1 工程背景

三明市东牙溪水库位于闽江流域沙溪河支流东牙溪中上游，是东牙溪流域梯级开发的重要水库，也是一座以城市供水、灌溉、发电和防洪等综合效益的中型水库工程。坝址以上流域面积 156 km2，多年平均流量为4.05 m3/s，多年平均年径流量1.36亿m3。水库正常蓄水位315.55 m，死水位286.50 m，设计洪水标准采用50a一遇，水库设计洪水位为319.27 m，校核洪水标准为500a一遇，校核洪水位320.31 m，总库容2263万m3，电站装机规模为 3.13 MW，多年平均年发电量为1 000万kW·h。东牙溪水库是三明市区30万居民的重要生活饮用水源地，每天向市区输送生活用水大约10.6万t。东牙溪水库为总库容2 263万m3的中型水库，目前水库表层的水质最好，低层取水经常会受藻类影响，水中异味大，并且携带的淤泥较多，故低层的水质较差。现有的取水口仅一个取水口，无法根据水库不同水层进行分层取水，本工程通过对东牙溪水库进行分层取水改造，可显著改善城镇用水水质，提高东牙溪水资源配置能力，提高供水保证率及饮用水安全。新建引水隧洞连接新建进水口与现有引水隧洞，隧洞开挖洞径 3.4 m，断面型式为马蹄型，底宽 2.5 m，衬砌后洞径2.6 m。由于新建引水隧洞进口段埋深较浅，地质环境较差，选择合理的施工工法极为必要[1]。结合相关施工经验和背景工程特点，在锚喷超前支护基础上，选择单侧壁导坑法和环形开挖预留核心土法两种开挖施工方法进行对比研究。

2 施工过程数值模拟模型

2.1 软件简介

Midas GTS有限元软件是背景迈斯达科技有限公司开发的一款专门针对岩土隧洞结构的大型有限元分析系列软件[2]。其中，Midas GTS NX实现了在GTS技术上的前处理、计算和后处理阶段的功能完善，特别是新增了分析功能，可以便捷实现各种复杂荷载条件下的响应分析，是当前岩土行业重要的分析和设计软件。基于此，此次研究选择Midas GTS NX进行背景工程的有限元计算模型构建。

2.2 模型的构建

任何计算模型的构建，均需要确定合理的计算边界范围，过大不利于提高计算效率，过小则会影响计算结果的准确性[3]。根据相关研究成果和弹塑性理论，在地下洞室工程开挖支护研究中，隧洞的上下和左右边界应该取最大开挖洞径的3-5倍[4]。在该范围之外，可以认为不受开挖施工的影响，其产生的位移和应力可以忽略不计。根据背景工程设计方案，隧洞开挖洞径 3.4 m。在模型构建中上下和左右边界均取5倍洞径，即17 m。

在MIDAS GTS NX软件中提供了适合岩土力学模拟计算的各种本构模型。结合背景工程的实际情况，在开挖支护模拟中，将隧洞围岩材料视为各向同性材料，采用摩尔-库伦本构模型进行模拟[5]；对于结构材料均采用各向同性弹性本构模型模拟，其中，管棚、超前锚杆等结构采用一维植入式桁架单元模拟，喷射混凝土和二次衬砌钢筋混凝土采用一维梁单元模拟。在计算模型的网格剖分过程中，应该按照网的数量、疏密、质量、位移相互协调的原则进行。对于同一结构范围内的网格，划分尺寸要尽可能均匀，而隧洞内部结构网格要适当细化，同时尽量使划分的网格为均匀的四边形，最终获得10 334个网格单元，11 267个节点，有限元原模型示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

2.3 边界条件与计算参数

根据模拟研究的实际需要，对构建的模型施加位移边界条件，保证模型不发生位移和转动。具体而言，对模型的底部施加全位移约束，对模型的左右边界施加水平位移约束，模型的上部边界为自由边界条件，不施加位移约束。

模型计算中材料的物理力学参数确定十分关键，会直接影响计算结果的科学性和合理性。基于此，研究中参照相关设计规范、以往的工程经验以及施工现场的地质勘查资料，确定围岩、初支和二衬结构材料的物理力学参数，结果如表1所示。

表1 模型材料物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 位移变形

为了更好分析两种施工工法开挖支护过程中的围岩位移变形特征，计算中对将每个开挖进尺循环划分为6个施工步骤，其具体内容如表2所示。

表2 两种不同工法开挖步骤

利用构建的数值计算模型，对不同开挖工法各开挖步骤下的位移量进行计算，并提取出位移量的最大值，结果如表3所示。由表中的数据可以看出，无论是拱顶沉降变形、底部隆起变形还是拱腰的水平收敛变形，单侧壁导坑法在变形量上均显著小于环形开挖留核心土法。从最终的计算结果来看，单侧壁导坑法的拱顶沉降量为20.01 mm，与环形开挖留核心土法的30.78 mm相比，减小约35.0%；单侧壁导坑法的底部隆起量为28.82 mm，与环形开挖留核心土法的29.13 mm相比，减小约1.04%；单侧壁导坑法的水平收敛量为9.60 mm，与环形开挖留核心土法的17.54 mm相比，减小约45.3%；与由此可见，采用单侧壁导坑法开挖支护施工，更有利于控制围岩的位移变形，对保证施工乃至运行期间的输水隧洞安全更为有利。

表3 两种开挖方案位移计算结果

3.2 围岩应力

利用上节构建的有限元模型，对两种开挖施工工法下的围岩竖向和水平应力分布情况进行模拟计算，从计算结果中提取出隧洞围岩的拱顶、边墙中部和拱脚三个关键部位的应力值，结果如表4所示。从计算结果来看，除了拱顶部位的竖向应力两种开挖方法比较接近之外，其余各部位的竖向和水平应力，均为单侧壁导坑法相对较小，而环形开挖留核心土法相对较大。以拱脚部位的计算结果为例，环形开挖留核心土法的竖向应力值为-0.444 MPa，与单侧壁导坑法的-0.362 MPa相比，增加约22.7%；环形开挖留核心土法的水平应力值为-0.213 MPa，与单侧壁导坑法的-0.164 MPa相比，增加约29.9%。

表4 围岩应力计算结果

3.3 塑性区

利用构建的数值模拟计算模型，对单侧壁导坑法和环形开挖留核心土法两种不同开挖工法下的围岩塑性区分布特征进行计算。根据计算结果，获得如图2所示的两种不同施工开挖工法下的围岩塑性区分布云图。由图可知，两种不同开挖施工工法下输水隧洞围岩塑性区的分布特征类似，主要集中在输水隧洞的边墙和拱脚部位，这与大多数软弱破碎围岩地下洞室工程开挖过程中的塑性区分布特征类似。从两种不同施工工法的对比来看，采用单侧壁导坑法的围岩塑性区范围最大延伸至开挖边界以外1.13 m，而环形开挖留核心土法的围岩塑性区范围最大延伸至隧洞开挖边界以外1.24 m，而该开挖施工工法下的塑性区分布面积也明显偏大。因此，从围岩塑性区分布特征来看，单侧壁导坑法较为有利。

a单侧壁导坑法 b环形开挖留核心土法

4 结 语

此次研究利用数值模拟的方法，对输水隧洞进口段单侧壁导坑法和环形开挖留核心土法开挖施工工法进行对比选择。模拟计算结果显示，采用单侧壁导坑法的情况下，各向位移、应力和塑性区范围明显偏小，对保证施工安全顺利进行更为有利。因此，对背景工程而言，推荐采用单侧壁导坑法进行施工。当然，数值模拟属于理想情况下的研究方式，在实际施工过程中，其影响因素往往更多也更为复杂，因此后续还需要进行室内和现场试验进行研究，确定此次研究结果的科学性与合理性，为工程施工的顺利进行提供更有利的支持和借鉴。