某水电站引水隧洞施工与运行期的稳定性模拟分析

1 引言

新疆虽属内陆干旱区，但水资源储量丰富，其水能资源总蕴藏量达4 054 万kW，位居全国第四，水能资源理论蕴藏量在1 万kW 以上的河流有340 条，占全国的4.96%[1]。 近年来，新疆的水利水电工程建设取得了长足的发展， 而且在未来水电能源的占比将进一步增加[2]。这些水电工程在开发过程中将遇到各类岩石， 围岩稳定与否将是水电工程能否安全施工和运营的关键[3]。

鉴于此， 本文以新疆某典型水电工程引水隧洞为研究对象，在详细分析其工程地质条件的基础上，建立三维数值模型，对施工和运营条件下隧洞围岩的稳定性进行计算。 所得结论可为新疆地区类似工程的设计和施工提供一定的参考和借鉴。

2 工程概况

该项目位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境内， 为引水式电站，其上游为A 水电站，下游为B 水电站。 背景水电站以发电为主，水电站发电引水流量170 m3/s，正常蓄水位1 351.3 m（A水电站尾水），尾水1 316.3 m，装机容量49.5 MW。

引水发电隧洞穿越开都河出山口左岸Ⅳ级基座阶地，总的地势南高北低，地形开阔，海拔1 360.0～1 390.0 m，除个别冲沟处基岩出露外，基本为第四系上更新统冲积物覆盖。 隧洞沿线冲沟走向多以NE 向为主，规模较大的冲沟主要有3 条（2#、3#、4#），穿越处沟底宽8.0～21.0 m，切深5.0～24.0 m。 隧洞洞线位于近东西向展布的洪水沟复背斜南翼， 夹于北部的可肯达坂大断层与南部的松树达坂大断层之间， 根据地质测绘成果及航卫片解译，隧洞区无大的断裂构造分布。

根据工程地质勘察， 隧洞及厂房的地层岩性主要为中泥盆统萨阿尔明组下亚组（D2sa）灰岩、火山角砾岩及上第三系中新统桃树园组砂质泥岩。 灰岩（弱风化）烘干后抗压强度为61.1 MPa、饱和抗压强度为23.1 MPa、软化系数为0.38；火山角砾岩（微风化）烘干后抗压强度为64.1 MPa、饱和抗压强度为43.5 MPa、软化系数为0.68；砂质泥岩（弱风化）烘干后抗压强度为20.3～31.3 MPa、饱和抗压强度为0.756～2.23 MPa、软化系数为0.02～0.1；砂质泥岩（微风化）烘干后抗压强度为14.7～37.4 MPa、饱和抗压强度为0.153～6.87 MPa、软化系数为0.009～0.34。 根据本文取样试验结果来看，原状砂质泥岩单轴抗压强度在5.9～7.9 MPa，浸水样单轴抗压强度在5.8～6.6 MPa。

3 三维数值计算模型及计算参数

3.1 数值计算模型

由于引水隧洞局部位置围岩质量较差，断层交错，上半导洞开挖后进行锚喷和钢支撑初期支护， 下半导洞开挖完成后进行全断面衬砌，为了对其进行详细计算分析。 模型中考虑了各类岩层、断层F2 以及一条挤压破碎带，并详细考虑钢支撑、喷锚支护和混凝土衬砌结构。三维计算模型如图1 所示。三维模型网格的主要单元类型为8 节点六面体单元， 部分6 节点三棱柱单元和4 节点四面体单元作为过渡单元， 共37 994 个计算节点，34 100 个单元，网格密度按长度控制，并对隧洞部位附近岩体及断层的网格进行了细化。

计算中各种不同的工况计算考虑如下：（1）根据工程地质条件，由于构造应力很小，隧洞开挖计算中不考虑构造应力等因素的影响，主要考虑隧洞上覆岩层自重，以自重应力场作为初始应力场；（2）边界条件均采用位移边界条件，上边界取自地面为自由面，两侧面、底面均受法向约束；（3）假设开挖和支护阶段时间短，不考虑围岩流变特性，后期运行阶段考虑围岩流变特性；（4）假设引水隧洞运行期间，力学特性有一定程度软化。

3.2 数值计算参数

本次计算主要考虑以下工况：（1）天然工况。 天然应力场计算。 按常规弹塑性模型计算，本工况计算目的是了解洞室在开挖之前岩体应力场的分布及洞室破坏情况， 以及便于与后面的各个工况的计算结果进行对比， 得出洞室在不同工况下位移的净增量和应力场的变化情况。该工况下采用M-C 模型进行计算。 （2）施工工况。 按常规弹塑性模型计算洞室开挖卸荷后加一次衬砌和二次衬砌工况， 目的是了解分步加固后洞室岩体应力场和洞室变形的情况， 计算中采用分步加固的方式。 考虑到施工过程时间相对较短，该工况下同样采用M-C模型进行计算。 （3）正常运行工况，考虑洞室在正常运行时的应力应变分布情况。 考虑到正常运行工况下围岩会受到长时间的时效荷载作用， 还存在浸水状况， 该工况下按Burgers-MC 模型并考虑浸水对相关参数的影响进行计算，分别对运行30 d、90 d、180 d 和360 d 后的4 种情况进行计算。最终的计算参数见表1 和表2。

表1 数值计算参数

表2 砂质泥岩流变计算参数

4 数值计算结果分析

以桩号0+801 剖面为例， 部分条件下围岩竖向位移云图如图2 所示。

图2 运行期360 d 后围岩位移云图（单位：m）

部分工况下围岩的位移以及衬砌受力的计算结果汇总如表3 所示。 结果显示，各工况下，最大的竖向变形均在隧洞洞顶断层位置处，一期支护后的变形值为-7.427 mm，二次衬砌后的变形值为-7.785 mm。 正常运行工况下，考虑围岩的浸水损伤效应，30 d、90 d、180 d 和360 d 后，隧洞顶部的最大竖向变形分别为-9.815 mm、-10.327 mm、-11.053 mm 和-11.352 mm，与衬砌完成时的围岩变形值相比，增大了2～4 mm；围岩中拉应力也稍有增大。 综合上述计算结果分析可以看出，浸水损伤对隧洞围岩的变形影响是比较明显的。

表3 运行180 d 和360 d 工况下计算结果汇总

为了验证所建立模型的合理性，在上述三维模型计算范围内，桩号0+668.5 剖面围岩内布置有多点位移计，选取该监测断面拱顶监测变形与计算变形进行对比。 结果如图3所示。

图3 监测结果与计算结果对比图

可以看出，初期支护时，该监测点的计算变形大于监测变形，主要是由于隧洞开挖过程中，前期部分变形没有监测到，从而导致了监测变形较小；在二次衬砌及后期运行过程中，监测变形与计算变形值总体变化趋势一致， 说明前述建立的考虑浸水损伤的流变模型是合理的， 计算过程中采用的力学参数是合适的。 该水电站自建成以来，引水隧洞经过几年运行检验，目前运行状况正常，也说明了本模拟结果的可靠性。

4 结论

本章在对新疆某二级水电站引水隧洞工程概况研究的基础上，利用三维数值计算，对施工工况和正常运行30 d、90 d、180 d 和360 d 等工况下围岩位移及衬砌的内力进行了计算分析，得到了以下结论：

1）初期支护后，支护结构承受部分围岩压力，围岩应力得到改善， 隧洞围岩变形明显减小， 剖面竖直向下最大位移为7.43 mm，出现在洞室拱顶断层位置，开挖断面变形整体趋于均匀， 说明初期支护对于改善开挖面浅层的岩体质量有一定的效果，在支护结构上，最大拉应力为0.045 MPa，位于支护结构与断层的相交的位置附近，最大压应力为1.50 MPa，出现在拱顶位置附近。

2）隧洞全断面二次支护对围岩的变形和应力能起到一定的改善作用，拱顶部分竖直向下最大位移为7.79 mm；在支护结构上，最大拉应力为0.201 MPa，位于支护结构与断层的相交的位置附近，最大压应力为3.03 MPa，主要在断层和支护结构相交的位置。