(遼寧澤龍水利實業(yè)有限責任公司，遼寧 新民 110300)

1 工程背景

轎頂子電站位是一座以防洪和發(fā)電為主，兼有灌溉和養(yǎng)殖等諸多水利功能的綜合性小型水利工程，其壩址位于遼寧丹東寬甸太平哨鎮(zhèn)轎頂子村境內(nèi)，是北股河干流上規(guī)劃建設的重要水利工程之一[1]。電站壩址以上集雨面積293km2，設計庫容0.87億m3。電站主要由混凝土重力壩、副壩、溢洪道、泄洪洞以及引水發(fā)電系統(tǒng)組成[2]。其中引水發(fā)電系統(tǒng)的引水隧洞設計于大壩左側(cè)，全長1123m，為馬蹄形斷面設計。由于引水隧洞規(guī)劃線路附近地下水埋藏較淺，且線路本身需要穿越DS3斷層破碎帶，因此，開挖施工難度較大。

在施工過程中，掌子面底部一直有小量涌水，當開挖到穿越斷層破碎帶的引2+23斷面時，隧洞圍巖質(zhì)量明顯偏差，破碎情況比較嚴重，并開始出現(xiàn)大量的涌水?，F(xiàn)場勘查結果顯示，該段圍巖風化程度十分嚴重，且多為軟巖，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，原設計的支護強度難以承載圍巖變形應力，如不采取新的施工加固措施，極易誘發(fā)施工風險?；诖耍こ添椖坎客ㄟ^會商，擬對該洞段進行全斷面超前帷幕注漿[3]。在注漿加固施工中，注漿加固圈的厚度是影響工程效果的關鍵性因素，厚度過小難以發(fā)揮加固和堵水功能，過大不僅會造成工程資金的浪費，也不利于工期控制[4]?；诖?，此次研究通過數(shù)值模擬的方式，對注漿加固圈的厚度進行優(yōu)化設計，為工程建設的順利進行提供支持。

2 有限元計算模型

2.1 模型軟件

Midas NX(New experience of Geotechnical Analysis System)是一款專門針對巖土工程設計研究的大型有限元計算軟件，支持巖土工程領域的滲流分析、應力分析以及應力—滲流耦合分析等多種分析模式，具有較高的應用性和專業(yè)性。該軟件的主要優(yōu)勢是可以實現(xiàn)直觀化的幾何建模，提供了巖土單元、結構單元以及各種不同的彈簧和連接單元，可以使計算結果更加貼近工程受力狀態(tài)?；诖?，此次研究選擇Midas NX軟件，對研究洞段進行滲流—應力耦合分析，分析加固圈厚度對圍巖和支護結構的影響。

2.2 模型的構建

對于巖土工程領域的數(shù)值模擬計算，一個合適的模型十分重要，可以有效減小誤差和工作量[5]。研究洞段的埋深為29.8m，隧洞的跨度為4.4m，高度為4.6m。為了合理進行計算，選擇隧洞中心線為Y軸，指向下游的方向為正方向，與Y軸垂直指向右岸的方向為X軸的正方向，豎直向上的方向為Z軸的正方向?？紤]隧洞開挖以及地下水滲流范圍的影響，模型在X軸方向的計算范圍為10倍洞徑；Z軸方向的計算范圍為8倍洞徑，Y軸方向為取50m；整個模型劃分為22818個計算單元，15835個計算節(jié)點。有限元模型見圖1。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 邊界條件與計算參數(shù)

在模擬計算過程中，圍巖巖體的初始應力場僅考慮巖體的自重應力，將靜水壓力作為模型的孔隙水壓力值，不考慮全風化巖體在開挖過程中的蠕變變形[6]。隧洞施工階段共劃分為10個開挖步，每個開挖步掘進距離為3.5m。模型采用等效連續(xù)介質(zhì)模型以及莫爾-庫侖彈塑性屈服準則[7]。模型的底部為固定邊界條件，模型的頂部為自由邊界條件。在隧洞開挖之前，假設模型的圍巖為飽水狀態(tài)，隧洞的襯砌滲流水壓力為零[8]。

圍巖力學參數(shù)主要由工程勘察資料提供，結合施工規(guī)范中的相關規(guī)定以及數(shù)值模擬計算中的參數(shù)折減需要，將注漿后的彈性模量提升30%、注漿區(qū)巖體密度提升10%，內(nèi)摩擦角和黏聚力分別提升50%，滲透系數(shù)降低至原來的2%，其余參數(shù)保持不變。具體的模型計算參數(shù)見表1。

表1 模型材料計算參數(shù)

續(xù)表

2.4 計算方案

注漿圈厚度直接影響到注漿量的大小，但是注漿圈的厚度并非越大越好，在實際工程中應充分考慮加固后圍巖的承載力、止水效果以及工程的經(jīng)濟性。結合工程實際和相關研究成果，研究中設計了4.0m、5.0m、6.0m、7.0m、8.0m五種不同的注漿圈厚度，其余參數(shù)保持不變。利用構建的有限元模型，對研究洞段的位移、塑性區(qū)、初支孔隙水壓力以及涌水量進行模擬計算，根據(jù)計算結果的對比分析，獲取最佳注漿圈厚度。

3 計算結果與分析

3.1 位移

利用構建的有限元模型對不同注漿圈厚度工況下的研究洞段位移變形進行模擬計算，從計算結果中提取出隧洞圍巖關鍵部位的最終位移量，結果見表2。由表2中的結果可以看出，研究洞段各個關鍵部位的位移量均隨著注漿圈厚度的增大而減小，說明注漿加固圈的厚度越大，對控制圍巖位移越有利。從不同注漿加固圈厚度方案的計算結果來看，當注漿圈厚度小于6.0m時，增加注漿圈的厚度可以顯著減小位移變形量，隨著注漿圈厚度的進一步增加，在控制位移量方面的作用會明顯減弱。結合位移變形計算結果和工程的經(jīng)濟性，注漿圈厚度應設計為6.0m。

表2 研究洞段最終位移計算結果

3.2 塑性區(qū)

利用構建的有限元模型，對不同注漿圈厚度工況下的圍巖塑性區(qū)特征進行模擬計算，根據(jù)計算結果繪制出塑性區(qū)最大半徑變化曲線(見圖2)。由圖2可知，塑性區(qū)最大半徑隨著注漿圈厚度的增加而減小。具體來看，當注漿圈厚度小于6.0m時，塑性區(qū)半徑減小十分明顯，當注漿圈厚度大于6.0m時，塑性區(qū)半徑的減小幅度較為有限。

圖2 塑性區(qū)最大半徑隨注漿圈厚度變化曲線

根據(jù)塑性區(qū)的分布特征計算出不同注漿圈厚度條件下貫通后每延米的塑性區(qū)體積，結果見表3。由表3中的結果可以看出，塑性區(qū)體積與塑性區(qū)最大延伸半徑呈現(xiàn)出類似的變化特點，當注漿圈厚度小于6.0m時，隨著注漿圈厚度的增加塑性區(qū)體積迅速減小，當注漿圈厚度大于6.0m時，隨著注漿圈厚度的增加塑性區(qū)體積減小較為有限。結合塑性區(qū)計算結果和工程經(jīng)濟性，建議采用厚度為6.0m的注漿圈厚度。

表3 每延米塑性區(qū)體積計算結果

3.3 初支孔隙水壓力

初支孔隙水壓力可以表征初支結構以及注漿圈的止水效果。研究中對不同注漿圈厚度條件下的初支孔隙水壓力進行模擬計算，結果見圖3。由圖3可以看出，隨著注漿圈厚度的增加，初支外側(cè)和內(nèi)側(cè)的孔隙水壓力最大值均有比較明顯的下降，但是變化幅度越來越小，特別是當注漿圈厚度大于6.0m時孔隙水壓力值的減小幅度十分有限。

圖3 初支孔隙水壓力隨注漿圈厚度變化曲線

3.4 涌水量

在研究過程中，利用構建的有限元模型，對不同注漿圈厚度下的涌水量進行計算，結果見表4。由表4中的計算結果可知，采用全斷面帷幕注漿之后，涌水量的控制效果十分明顯，即使采用厚度為3m的注漿圈厚度，也可以獲得比較好的止水效果。在初支結構施作之前，研究洞段的環(huán)向涌水量占比較高，但是隨著注漿圈后的不斷增大，各階段的涌水量均有明顯的下降，但是降幅逐漸減小。

表4 涌水量計算結果

4 結 論

轎頂子電站施工過程中，隧洞圍巖破碎嚴重，出現(xiàn)大量涌水。本文以發(fā)電引水隧洞為例，利用數(shù)值模擬的方式探討了注漿加固圈厚度對工程效果的影響，獲得如下結論：模擬結果顯示，注漿圈厚度對圍巖的位移場和滲流場均有比較明顯的影響。

隨著注漿圈厚度的增加，圍巖的最大位移量、塑性區(qū)范圍、初支孔隙水壓力和涌水量均呈現(xiàn)出明顯減小的變化特征，當注漿圈厚度大于6.0m時減小的幅度較為有限。綜合考慮注漿加固工程效果和工程成本，建議采用厚度為6.0m的注漿圈厚度。