(遼寧西北發(fā)電有限責(zé)任公司清湖電廠，遼寧 開原 112309)

1 工程背景

猴山水庫工程位于遼寧省綏中縣范家鄉(xiāng)趙家甸村境內(nèi)的狗河上，下游距離綏中縣城約35km[1]。猴山水庫壩址以上河道長(zhǎng)47.90km，控制流域面積約377km2，約占狗河全部流域面積的70%。猴山水庫工程樞紐建筑物由混凝土重力壩、輸水隧洞、環(huán)境及灌溉供水管組成。攔河主壩長(zhǎng)349m，擋水副壩長(zhǎng)80m，壩高51.6m，輸水隧洞長(zhǎng)6.2km。猴山水庫設(shè)計(jì)庫容為1.6億m3，是一座以城市供水為主兼具防洪和改善下游農(nóng)業(yè)灌溉條件的Ⅱ等[2]大型水庫工程。水庫建成后，每年可向東戴河新區(qū)供水2828萬m3，有效解決東戴河新區(qū)工業(yè)與生活用水不足問題，為東戴河新區(qū)的快速健康發(fā)展提供水資源保障。

施工前的地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果顯示，輸水隧洞主要巖體為微風(fēng)化到弱風(fēng)化狀態(tài)，由于受構(gòu)造的影響比較嚴(yán)重，節(jié)理和裂隙發(fā)育較為明顯，開挖施工難度較大。在施工過程中，輸水隧洞的進(jìn)口段和出口段采用鉆爆法施工，全斷面隧洞則采用TBM施工。在輸水隧洞TBM掘進(jìn)施工至樁號(hào)0+285位置時(shí)，遭遇逆斷層，巖性主要是碎裂巖、糜棱巖和斷層泥礫，巖層自穩(wěn)能力較差。結(jié)合上述工程背景，擬采用錨桿-錨索組合支護(hù)方式。

2 FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型的建立

2.1 模型簡(jiǎn)介與適用性分析

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由美國(guó)ITASCA公司開發(fā)的仿真計(jì)算軟件[3]。目前，F(xiàn)LAC有二維和三維計(jì)算程序兩個(gè)版本，是二維有限差分程序FLAC2D的拓展，可以進(jìn)行土質(zhì)、巖石以及其他各種材料的三維結(jié)構(gòu)受力特征數(shù)值模擬以及塑性流動(dòng)分析。由于采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，計(jì)算中無須構(gòu)建剛度矩陣即可實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬材料塑性破壞以及流動(dòng)的準(zhǔn)確模擬，因此可以在較小的內(nèi)存空間內(nèi)求解大范圍的三維問題。因此，將FIAC3D模型用于錨索長(zhǎng)度對(duì)軟巖輸水隧洞支護(hù)影響研究可以達(dá)到比較滿意的效果。

2.2 模型的建立

為了探討錨索長(zhǎng)度對(duì)軟巖輸水隧洞支護(hù)的影響，為具體施工設(shè)計(jì)中的錨索長(zhǎng)度選擇提供理論依據(jù)，本次研究采用FLAC3D有限元分析軟件，對(duì)猴山水庫輸水隧洞軟巖破碎段的支護(hù)體系進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算[4]。結(jié)合相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，本次模型的計(jì)算區(qū)域從拱頂豎直向上取30.0m，如果埋深小于30.0m，則取至地面[5-6]；從拱底向下取30.0m；為了充分研究輸水隧洞開挖過程中的空間效應(yīng)，模型的縱向長(zhǎng)度取12.0m。在位移邊界條件模擬中，模型的下表面Z方向位移確定，左右邊界施加X方向應(yīng)力邊界，而在計(jì)算的前后邊界Y方向位移確定不變。為了提高模型計(jì)算的精度，對(duì)模型采取1∶1比例的正六面體網(wǎng)格劃分，最終獲得11400個(gè)計(jì)算單元，15625個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

2.3 計(jì)算參數(shù)

研究段輸水隧洞的圍巖主要為碎裂巖、糜棱巖和斷層泥礫，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定模型計(jì)算參數(shù)(見表1)。

表1 圍巖巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.4 計(jì)算過程

研究洞段擬采用錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)方式，在輸水隧洞掘進(jìn)之后首先在圍巖中施加錨桿支護(hù)，在圍巖初步穩(wěn)定之后再進(jìn)行錨索支護(hù)。根據(jù)相關(guān)研究成果和施工經(jīng)驗(yàn)，錨索的預(yù)應(yīng)力過大反而不利于圍巖表面的巖體穩(wěn)定[7]。因此，本次研究中采取的是無預(yù)應(yīng)力錨索，并設(shè)定其長(zhǎng)度分別為5.0m、6.0m、7.0m和8.0m四種不同工況進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)獲取不同工況下FLAC3D計(jì)算模型中的拱頂豎向位移量拱腰水平位移量，并將獲得的位移計(jì)算結(jié)果利用Origin軟件，生成不同計(jì)算點(diǎn)位的位移量(S)與點(diǎn)位本身距離輸水隧洞圍巖表面的距離(H)變化之間的擬合曲線，然后取導(dǎo)數(shù)獲得位移梯度函數(shù)，并以此為依據(jù)繪制出不同計(jì)算點(diǎn)位的位移梯度與點(diǎn)位本身距離輸水隧洞圍巖表面的距離變化之間的擬合曲線，最終得到不同錨索長(zhǎng)度對(duì)輸水隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律[8]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

利用構(gòu)建的FLAC3D模型，在輸水隧洞開挖400個(gè)時(shí)間步之后施加錨桿支護(hù)，再經(jīng)過800個(gè)時(shí)間步之后對(duì)輸水隧洞圍巖施加無預(yù)應(yīng)力錨索。在計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定之后提取拱頂最大豎向位移值(見表2)、腰部最大水平位移值以及錨桿錨索最大支護(hù)力等相關(guān)計(jì)算結(jié)果。

利用tecplot后處理軟件對(duì)輸水隧洞腰部不同數(shù)據(jù)點(diǎn)的水平位移值和豎向位移值進(jìn)行計(jì)算。部分計(jì)算結(jié)果見表3和表4。

表2 最大位移值和支護(hù)力計(jì)算結(jié)果

表3 不同計(jì)算點(diǎn)位距圍巖表面距離值和水平位移值關(guān)系模擬結(jié)果

表4 不同計(jì)算點(diǎn)位距圍巖表面距離值和豎向位移值關(guān)系模擬結(jié)果

將計(jì)算結(jié)果利用Origin軟件計(jì)算獲取位移梯度函數(shù)(見圖1和圖2)。由圖可知，在輸水隧洞的水平與豎向等不同方向上，圍巖深部巖體位移受錨索長(zhǎng)度的影響較小。由圖1可知，在輸水隧洞腰部水平方向上，距離圍巖表面5m之外的變形和位移受錨索長(zhǎng)度的影響極為有限，不同模型的位移梯度函數(shù)曲線幾乎完全重合。究其原因，主要是上述區(qū)域的錨索與巖體之間并未產(chǎn)生相對(duì)位移，導(dǎo)致錨索并未發(fā)揮實(shí)際作用。這也說明，在輸水隧洞施工中對(duì)圍巖巖體的擾動(dòng)范圍不超過5m。因此，只要對(duì)距離輸水隧洞圍巖表面5m范圍內(nèi)施加有效的支護(hù)，即可實(shí)現(xiàn)錨桿-錨索聯(lián)合錨固體的穩(wěn)固，即使將錨索延長(zhǎng)至深部，也難以在增強(qiáng)淺部巖體承載能力方面發(fā)揮更為明顯的作用。由圖2可知，從豎向位移來看，錨索的長(zhǎng)度會(huì)對(duì)距離圍巖表面8m之外的巖體變形和位移造成一定影響。同時(shí)，錨索的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，淺部巖體的位移梯度越小，對(duì)減少圍巖的碎脹程度作用明顯。因此，增加錨索的長(zhǎng)度對(duì)降低圍巖頂部巖體的破碎程度具有一定的可行性。結(jié)合以上分析，建議在施工過程中，在輸水隧洞的兩側(cè)邊墻采用5m長(zhǎng)的錨索，在圍巖的拱頂部位采用8m長(zhǎng)的錨索。上述錨索長(zhǎng)度的選擇可以在保證輸水隧洞圍巖穩(wěn)定的情況下，實(shí)現(xiàn)節(jié)約支護(hù)成本的目的。

圖1 水平位移梯度曲線

圖2 豎向位移梯度曲線

4 結(jié) 論

水利工程地下洞室開挖支護(hù)中，特別是高地應(yīng)力、承載力差的軟弱巖層支護(hù)中，錨桿和錨索支護(hù)具有不可替代的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)，往往成為此類工程圍巖支護(hù)的重要組成部分。本文以遼寧省猴山水庫輸水隧洞為例，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究了錨索長(zhǎng)度對(duì)軟巖輸水隧洞支護(hù)的影響。結(jié)論為：在輸水隧洞水平與豎向不同方向上，圍巖深部巖體位移受錨索長(zhǎng)度的影響較小，其中，在輸水隧洞腰部水平方向上，距離圍巖表面5m之外的變形和位移受錨索長(zhǎng)度的影響極為有限，從豎向位移看，錨索的長(zhǎng)度會(huì)對(duì)距離圍巖表面8m之外的巖體變形和位移造成一定影響；根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，建議施工過程中，在輸水隧洞的兩側(cè)邊墻采用5m長(zhǎng)的錨索，在圍巖的拱頂部位采用8m長(zhǎng)的錨索。