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引水隧洞开挖围岩变形规律有限元分析

2023-11-09 80 上传者：管理员

摘要：引水隧洞决定水电站的安全系数，保证引水隧洞周边岩体稳定性，可以更好的使水电站的运行得到保障，本研究基于数值模拟，对引水隧洞开挖围岩变形规律进行分析，确定洞距合理性以及在开挖阶段隧洞围岩变形和塑性区变化规律。结果表明：隧洞最小安全间距为45 m,洞间距与出现失稳破坏概率呈负相关；在开挖阶段监测断面顶部变形量大于两侧关键点变形量，且该阶段是引起围岩位移变形的主要阶段，其中半洞开挖方式对洞两侧位移影响较小，两侧位移释放率变化情况远强于顶部。围岩开挖阶段对隧洞塑性区影响较大，变化明显，但会随着开挖步数增加，影响效果逐渐降低。

关键词：
变形规律
开挖情况
引水隧洞
数值模拟
水电站
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我国是一个地势复杂的国家，河流众多，水资源利用也成为我国的重点工程，其中在每条河流都可以作为我国水电站地点位置，而引水隧洞作为水电站的重要组成部分，引水隧洞的稳定性决定了水电站的安全情况，近年来，许多专家学者针对以上因素开展相关研究。

高超[1]结合水电站施工特点，研究引水隧洞施工技术，用于接近施工过程中洞型尺寸等问题。李海宁等人[2]研究不同岩体形状下引水隧洞周边结构的稳定性，并结合实际工况建立有限元数值模型，结果表明，当围岩倾角为0°时，支护结构内力较大。唐伍一[3]研究围岩加固处理，结合行业规范，根据实际工况，揭露岩溶在注浆加固处理最优处理方案，为实际工况提供参考。陈克霖等人[4]结合工程实况，基于数值模拟和极差法，分析隧洞安全性与经济性，结果表明，开挖成本与位移情况和应力大小均呈负相关；钢拱架成本则与位移情况和应力大小呈正相关。祁军等人[5]结合模糊层次分析研究岩爆分布规律，结果表明，及时预测隧洞发生岩爆概率，提前做好预防措施，保证安全施工。刘万林等人[6]基于数值模拟对引水隧洞进行稳定性分析，并对洞内稳定情况进行预测，对在开挖过程中遇到的不稳定因素进行分析，从而做到提前预防，对实际施工具有参考价值。

本研究以实际工况为研究背景，基于数值模拟，对引水隧洞开挖围岩变形规律进行分析，确定洞距合理性以及在开挖阶段隧洞围岩变形和塑性区变化规律。

1、工程概况

本水电站位于高海拔地区，站台引水线路夹在河岸之间，引水发电系统根据地形设置方案，该方案全长17.27 km, 从尾部开挖。水引水路线左岸谷肩台面高程在2 700 m左右，其中高程高出2 700 m的谷肩主要为缓坡地带，高程低于2 700 m但高于2 300 m的谷肩为宽谷期谷底，高程低于2 300 m则为峡谷。工程引水隧洞地面高程位于2 200 m之上，其坡度在40°～60°,坡高在1 500 m左右，根据地形地貌以及施工条件，引水隧洞洞室位于垂直方向埋深维持在700 m左右，跨度一般不超过200 m, 但最深处超过1 200 m。引水隧洞围岩主要由变粒岩、角闪岩、石英云母片岩等岩体组成，其中以石英云母片岩为主要构成岩体，使其结构有明显的层状特性。

2、计算方法

根据实际工况，基于数值模拟在开挖工况下，对引水隧洞进行研究分析，分析不同开挖面位移、应力以及塑性状态，该引水隧洞埋设选定600 m、800 m、1 000 m以及1 200 m实测情况。由于圆型开挖方式使模型整体位移最小，且圆型的塑性区面积最小，因此隧洞选用圆型断面，其洞径为16 m, 以此研究该状态下围岩变形情况和开挖过程的变化规律。模型采用长度控制网格密度，为一个正方体，边长为240 m, 接近14 000个计算节点，超过80 000个单元。模型计算参数如表1所示。

表1 计算参数

3、开挖过程数值模拟分析

3.1 洞距合理性分析及应力变化分析

通过计算方法在圆型隧洞中心间距50 m左右分析由于间距不同，结构前期变化和最终变形量以及塑性区、洞间塑性区是否连接和隧洞应力变化三个方面判定不利条件下隧洞不出现失稳破坏的安全中心线间距，选取隧洞中心线30 m、40 m、45 m、50 m、60 m和70 m建立模型，并以此记录引水隧洞关键点的前期变形和最终变形。模型变形测点布置情况如图1所示。

图1 模型变形测点布置图

合理性分析从隧洞应力分布变化情况﹑塑性区特征、变形突变情况进行分析，其中不同开挖间距下主应力变化情况如图2所示。

图2 不同间距下应力变化图

图3 不同间距下塑性区面积变化图

由图2可知，当隧洞之间的距离越来越大，相互干扰的应力作用则会越来越小，其中通过计算云图可知，当隧洞间距在45 m时第一主应力和第三主应力的差距最大，什么隧洞之间的干扰作用最小，由此可以确定两隧洞之间间距为45 m时，为隧洞的安全距离。

3.2 不同间距下塑性区特征及变形突变分析

对于隧洞不同间距下塑性区特征，由于隧洞中心线之间距离减小会导致隧洞周边应力降低，从而导致塑性区面积增大，当其达到一定程度时，塑性区呈贯通状态，并出现失稳破坏。通过判断塑性区面积发展趋势和贯通情况，从而得到隧洞最小间距。其中不同间距塑性区面积变化情况如图3所示。

由图3可知，贯通区域主要是在中心线30～40 m区间，说明开挖间距在30～40 m 时，岩体结构易发生破坏。不贯通区域主要是在中心线45～70 m区间，且围岩塑性区随着开挖间距增大而逐渐减小，表明间距较大，隧洞之间得岩体厚度达到一定厚度使相互影响效果减弱。结合应力变化情况和塑性区面积及贯通情况可以确定隧洞最小间距为45 m。

对于隧洞的变形突变情况，由于两隧洞之间的岩体结构逐渐变薄，导致结构易发生失稳情况，当该状况达到一定程度时，会使洞间岩体直接失稳，洞体变形将会急剧加速直至变形突变，因此通过研究位移和洞距之间关系得到最小洞距，具体情况如图4和图5所示。

图4 X向位移变化情况图

图5 Y向位移变化情况图

由图4和图5可知，无论是X向位移还是Y向位移，其隧洞位移变化都随着隧洞间距变大而逐渐减小，其中当隧洞间距从30～45 m时，位移呈现急剧下降得区域，当隧洞间距在45 m之后时，虽然位移也会随着隧洞间距变大而逐渐减小，但减小趋势极其缓慢。根据位移曲线变化情况可知，位移拐点在45 m左右，当隧洞间距小于该间距时，隧洞结构整体发生改变。结合应力变化情况、塑性区面积及贯通情况以及隧洞围岩变形情况可以确定隧洞最小间距为45 m, 且洞间距越大越好，可基本保证隧洞不出现失稳破坏现象。

3.3 隧洞围岩变化与开挖情况规律分析

在隧洞施工中，开挖过程出现围岩宏观失稳是重点关注问题，本文对1 200 m埋深下围岩变化与开挖情况规律进行分析，开挖步距为8 m。结合图1的模型变形测点布置图，其关键点为A点、B点以及C点，关键点位移以及位移释放率与掌子面推进过程规律如图6和图7所示，其中位移释放率为开挖过程中位移与最终收敛位移之间的比值。

图6 关键点位移变化与掌子面推进过程规律图

图7 关键点位移释放率与掌子面推进过程规律图

图中，开挖步数为掌子面与监测断面之间距离，其中1～8步和9～16步分别为上半部分和下半部分。由图6和图7可知，当模型开始推进开挖时，监测断面顶部A点变形位移维持在78 mm左右，两侧关键点变形量则在35～42 mm, 监测断面最下面关键点C点变形位移则在27～34 mm。其中监测断面顶部位移释放率超过了60%,两侧关键点位移释放率则超过40%,监测断面最下面关键点C点位移释放率则超过30%。因此当隧洞向内开挖8 m时，围岩开挖阶段是引起围岩位移变形的主要阶段。当开挖步数达到第4步时，围岩顶部位移趋于稳定，但两侧关键点位移释放率依旧较低，说明半洞开挖方式对洞两侧影响较小。当开挖到第9步时，位移变化发生突变，其中两侧位移释放率变化情况远强于顶部。开挖使两侧关键点位移释放率剧增，增加范围在45%左右。

3.4 隧洞围岩塑性区与开挖情况规律分析

对围岩塑性区与开挖情况变化规律分析，1 200 m埋深下断面塑性区面积与掌子面推进过程规律如图8、9所示，其中释放率为监测断面塑性区面积与开挖完成时塑性区面积比值。

图8 监测断面塑性区面积变化情况图8 9,

图9 监测断面释放率与掌子面推进过程规律图

由图8和图9可知，开挖阶段隧洞塑性区面积维持在220～240 m2之间，当开挖工序逐渐推进，开挖步数达到第2步时，隧洞塑性区面积增长了50 m2,之后隧洞塑性区面积缓慢增大，当开挖步数达到第8步时，隧洞塑性区面积发生急剧增大，塑性区面积从280 m2直至320 m2,当开挖步数达到10步时，塑性区面积趋于稳定。而隧洞塑性区面积释放率与面积变化情况相同，开挖阶段隧洞塑性区释放率维持在65%左右，开挖步数达到第2步时，隧洞塑性区释放率增长了10%,之后隧洞塑性区释放率缓慢增大，当开挖步数达到第8步时，隧洞塑性区释放率发生急剧增大，释放率从80%增长至接近1 000%,当开挖步数达到10步后，塑性区释放率趋于稳定。通过分析可知，围岩开挖阶段对隧洞影响较大，该阶段塑性区变化较为明显，但之后影响减弱，并随着开挖步数呈负相关。

4、结语

本研究以工程实况为研究背景，基于数值模拟对引水隧洞开挖围岩变形规律进行分析，分析不同开挖面位移、应力以及塑性状态，并以此确定洞距之间的合理情况，包括应力、塑性区特征以及变形情况，并在次基础上，研究隧洞围岩变形和塑性区与开挖阶段的规律，得出以下结论：

(1)结合应力变化情况、塑性区面积及贯通情况以及隧洞围岩变形情况可以确定隧洞最小间距为45 m, 且洞间距越大越好，可基本保证隧洞不出现失稳破坏现象。

(2)开始推进开挖时，监测断面顶部变形位移高于两侧关键点变形量，其中监测断面顶部位移释放率超过了60%,两侧关键点位移释放率则超过40%,监测断面最下面关键点位移释放率则超过30%。

(3)围岩开挖阶段是引起围岩位移变形的主要阶段。且半洞开挖方式对洞两侧影响较小。位移变化会随着开挖程度发生突变，两侧位移释放率变化情况远强于顶部。且开挖使两侧位移释放率剧增，范围在45%左右。

(4)围岩开挖阶段对隧洞塑性区影响较大，开挖阶段塑性区变化较为明显，但之后影响减弱，并随着开挖步数呈负相关。

参考文献:

[1]高超.基于复杂地质条件下引水隧洞施工技术[J].内蒙古水利.2021.226(06):39-40.

[2]李海宁,王尚,梁庆国,等.层状岩体引水隧洞围岩稳定性数值模拟分析[J].水电能源科学.2021.39(09):145-148.

[3]唐伍一.有压引水隧洞岩溶注浆加固处理方案[J].科学技术创新.2021(03):150-152.

[4]陈克霖,梁庆国,李海宁,等.基于引水隧洞安全和经济施工的支护参数优化分析[J].水资源与水工程学报.2021.32(06):143-151.

[5]祁军,贾东彦.深埋引水隧洞岩爆形成条件及预测判断研究[J].甘肃科学学报.2021.33(06):146-152.