特大断面地下洞室开挖的有限元仿真模拟

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　　摘要：本文以雅砻江上游锦屏一级水电站的右岸导流洞的开挖为例，用弹塑性理论和有限元法相结合的方法，动态模拟了导流洞的开挖过程，得出了各步开挖对围岩位移场和应力场的影响，并且为施工过程中位移和应力监测点的合理布置提供了指导意义。
　　关键词：导流洞；弹塑性理论；有限元法；动态模拟
　　
　　1.锦屏一级水电站右岸导流洞工程概况及特点
　　锦屏一级水电站主要由双曲拱坝(包括水垫塘及二道坝)、右岸泄洪洞、右岸引水发电系统及开关站等建筑物组成，水库总库容为77.6亿m3，电站总装机为6×600MW。左、右岸各布置一条导流洞，按两岸对称、双弯道、断面相同的方式布置，导流洞由进口闸室、洞身段和出口段组成，洞身为15m×19m(宽×高)城门洞形断面。右岸导流洞洞身全长为1187.658m，进、出口高程分别为1638.50m、1634.00m。导流洞进口边坡最大开挖高度89.5m，其中最大垂直开挖高度约 44.5 m，出口最大垂直开挖高度约75.5m。
　　导流洞区出露地层岩性主要为三叠系中上统杂谷脑组第二段(T2－3Z2)大理岩，优势节理裂隙主要有5组：①N15～80°E，NW∠25～45°，层面裂隙；②N50～70°E，SE∠50～80°；③近SN～N30°E，SE∠60～80°；④N60°W～EW，NE(SW)或S(N)∠60～80°；⑤N30～50°W，NE∠60～80°。
　　另外，导流洞区还存在如下特点(1)岩体自稳定能力差；(2)洞身段处于高地应力区，开挖时容易发生岩爆现象；(3)洞身大部分位于地下水位以下，地下水较为活跃，局部有岩溶现象。
　　这些特点，增加了导流洞的开挖成形的难度，所以必须对其进行严格的论证，确定合理的开挖方案。
　　2.开挖过程有限元模拟分析
　　根据国内外工程施工经验来看，特大断面洞室的开挖一般采用导洞台阶法[1][2]。先在断面的中部或中上部开挖一个小断面的导洞，然后以此为基础分层扩挖，直到设计轮廓线。这种方法的优点在于随着开挖的分步进行，围岩有足够的时间进行应力重分布，达到自稳状态，因而施工中比较安全。导流洞洞身段的开挖顺序示意图见图1，工序1：上层Ⅰ中导洞开挖，开挖尺寸为5.0m×5.0m；工序2：上层Ⅰ扩挖，扩挖至设计开挖轮廓线；工序3：下层Ⅱ1开挖，预留边墙保护层；工序4：下层Ⅱ2开挖，开挖边墙保护层；工序5：底板保护层Ⅱ3开挖，开挖至设计轮廓线。该5道工序均采用弹塑性理论的平面应变模型计算，重点考察开挖过程对围岩位移场和应力场的影响[3]。
　　
　　图1导流洞开挖工序和有限元网格示意图
　　
　　
　　表1 计算参数
　　
　　由于导流洞的开挖尺寸为：宽×高＝17m×21m，洞室左右两侧的影响范围为2倍洞宽，下部为1倍洞宽，上覆岩层厚为200m，即模型尺寸为：宽×高＝85m×242m。
　　
　　3.结果分析
　　由于岩石材料和开挖状态是非线性的，因此，对工序1～5分别采用Full－Newton法进行非线性分析，得到各工序对围岩的位移场和应力场的影响。
　　计算结果表明，在导流洞开挖之前，岩体的位移场中各点的水平位移很小，主要表现为竖向位移；主应力场中的大主应力方向与竖向位移的方向相反，表现为压应力。
　　第一步开挖完成后，围岩的位移场和应力场发生了明显变化：导洞周围的岩体有向洞内移动的趋势，尤其是左右两侧壁，这种趋势更加明显，这与导洞的形状也有关系，主要是由于围岩卸荷发生的回弹效应引起的；同时，导洞周围的岩体的大主应力也发生了显著的变化，角点处的大主应力方向发生了大约45º的偏转，洞顶、洞底及左右边墙附近的岩体的大主应力方向大致与除露面平行，并且在洞周1～1.5倍洞径的范围内发生了一定程度的应力集中现象，距离洞室两倍洞径以外的岩体收到的影响很小，基本能保持原来的状态。
　　第二步开挖以后，导流洞顶拱和部分边墙基本成型，由于跨度较大，拱顶和边墙向内的位移显著增大，拱顶最大位移为12.3mm，围岩主应力的变化范围也明显加大。此时，为了抑制顶拱和边墙上部的继续变形，需要采取支护措施，使其应力分布均匀化。
　　第三步开挖是洞室竖向的临空面成倍增加，减小了边墙抵抗变形的能力，使边墙发生向洞内鼓胀的现象，由于洞室处于高地应力区，甚至会发生剧烈的岩爆现象或产生平行于边墙面的岩体的薄片状剥离。同时，由于不规则的洞室断面形状，在边墙底部出现了更高的应力集中。
　　第四步边墙保护层开挖和第五步底板保护层开挖使洞室的断面形状更加规则，因此围岩主应力分布比较均匀，应力集中的程度有所降低。
　　4.结论
　　采用有限元方法对开挖的整个过程进行模拟仿真分析，可以得到围岩位移场和应力场随开挖的变化规律，并且变化范围和洞室的开挖尺寸有关，大约分布在洞径的2倍范围内，距洞室开挖面越近应力分布越集中。这便于有针对性地布设监测点和初步掌握不良地质现象发生的大体位置和影响范围，能够提高施工的安全效率。
　　与一般位置的中小型洞室相比，高地应力区的特大断面的洞室的开挖难度更大，程序也更复杂。在施工过程中，需要实时测量洞室围岩的位移和应力变化情况，并及时反馈给施工单位和监理单位，作出相应的应对措施，避免发生重大安全事故。
　　本文中的分层导洞台阶开挖方法已经成功用于工程实践，并取得了良好的效果。针对洞室断面的形状和尺寸及围岩特性，还可采用双侧壁导洞台阶法等。锦屏一级水电站右岸导流洞的建成为我国大断面、高地应力区的洞室开挖积累了宝贵经验，同时也对今后类似的工程的施工提供了普遍的指导意义。
　　
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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