王彪東

（建昌縣水利事務服務中心，遼寧葫蘆島125300）

1 工程背景

遼寧清原抽水蓄能電站是蒲石河抽水蓄能電站之后，東北地區(qū)在建的最大抽水蓄能電站，該電站的選址十分優(yōu)越，臨近遼寧省的負荷中心，建成之后可以承擔東北電網的調峰、填谷和事故備用任務[1]。清原抽水蓄能電站主要由上水庫、下水庫及地下廠房系統(tǒng)構成，為Ⅰ等大（1）型工程，永久性主要建筑物級別為1級，設計洪水標準為200年一遇，校核洪水標準為2000年一遇[2]。其中，引水系統(tǒng)由上水庫進水口、引水隧洞及壓力鋼管組成[3]。

由于電站引水系統(tǒng)的輸水隧洞埋藏較淺，開挖部位呈破碎地質發(fā)育，在部分施工段需要穿越比較深厚的土層，開挖施工難度較大，經項目部和相關專家會商，決定采用三臺階施工法進行開挖施工。在施工中充分利用光面爆破、噴錨支護等施工工藝技術，分步開挖、分步支護，使仰拱快速封閉成環(huán)，從而構建起比較穩(wěn)固的支護體系[3]。由于斷層破碎帶的巖體強度較低，圍巖的自穩(wěn)能力很差，容易造成開挖施工過程中的涌水和突泥事故。因此，擬采用超前注漿加固的方式改善圍巖的性質，同時起到一定的堵水作用[4]。為防止掌子面擠出變形過大導致的流塌，加固范圍應該包括一定厚度的圍巖和掌子面。結合工程實際，在施工中一個超前注漿加固循環(huán)的長度為10m。

2 有限元計算模型

2.1 有限元計算模型的構建

在巖土工程研究領域，對數值模擬軟件有著特定的要求，要求對巖層和土層的模擬結果必須能接近工程實際，還需要考慮孔隙水壓力及地下水等狀況。ABAQUS作為一款大型通用有限元軟件，在上述方面具有良好的適應性，在模擬固結沉降、流固耦合及非飽和滲流方面具有強大優(yōu)勢，因此，研究中選擇ABAQUS軟件進行背景工程的模擬計算[5]。

根據相關研究成果，結合計算結果的準確性和計算量的實際需求，研究中將模型的范圍設置為開挖洞徑的10倍，計算的范圍為50m×50m×30m。由于引水隧洞開挖之后，其應力的釋放影響范圍會在開挖邊界逐漸向四周輻射，距離開挖界面的距離越遠，其影響的程度和范圍也就越小[6]。因此，在模型的網格單元劃分過程中，并沒有必要采用大小一致的網格尺寸。在網格剖分的過程中，利用ABAQUS有限元軟件中自帶網格的劃分方法。由于模型的工況相對比較復雜，僅采用一種網格單元是不能準確模擬工程實際的。因此，研究中采用C3D8R單元進行引水隧洞的圍巖網格劃分，開挖部分和襯砌結構采用C3D4單元模擬，鋼拱架和錨桿采用B21梁單元模擬[7]。整個模型劃分為12344個網格單元，11647個計算節(jié)點。

2.2 邊界條件與模型參數

ABAQUS軟件采用拉格朗日計算分析法將圍巖和支護結構離散成不同類型的單元，然后再針對每個單元進行受力分析[8]。巖土體的應力和應變關系一般較為復雜，通常具有非線性、彈塑性及各向異性的特點，因此，軟件提供了多種本構模型。結合研究的需要和對象的特點，計算模型采用彈塑性本構模型，對構建的模型底部施加全位移約束，模型的側面為水平位移約束，模型的頂部設置為自由邊界條件。

模型材料的物理力學參數對計算結果存在關鍵性的影響，研究中根據相關工程經驗和現場調查結果，確定采用表1所示的模型材料參數。在數值模擬的過程中，不對注漿加固過程進行過多的研究，而將注漿加固圈以掌子面范圍內圍巖物理力學參數的提高作為超前注漿的加固效果，并對各個注漿加固方案進行模擬計算。

表1 模型材料物理力學參數

2.3 計算方案

為了研究超前注漿縱向搭接長度對注漿效果的實際影響，研究中結合相關工程經驗設置了1，2，3，4，5m等5種不同的縱向搭接長度方案進行數值模擬計算，超前注漿的厚度設計為固定值，各種計算方案下均取1m，通過對不同搭接長度方案下的圍巖沉降變形、掌子面擠出變形與塑性區(qū)特征進行模擬計算，并對計算結果對比分析，確定最佳的縱向搭接長度。

3 計算結果與分析

3.1 塑性區(qū)

研究中，利用有限元計算模型對不同搭接長度計算方案下的圍巖塑性區(qū)分布特征進行計算，在計算結果中提取如表2所示的不同計算方案下的塑性區(qū)面積和最大延伸長度。由表2中的計算結果可知，超前注漿縱向搭接長度對圍巖塑性區(qū)的范圍存在十分顯著的影響，搭接的長度越小，塑性區(qū)的范圍越大，特別是當搭接長度由2m減小到1m時，圍巖塑性區(qū)的范圍急速擴大。根據背景工程的地質調查數據，此時的開挖塑性區(qū)會與圍巖內部破碎帶塑性區(qū)大面積貫通，引發(fā)引水隧洞圍巖的滑塌。由此可見，在背景工程的超前注漿加固過程中，縱向最小搭接長度應該為2m。

表2 圍巖塑性區(qū)面積計算結果

3.2 拱頂沉降變形

利用構建的有限元計算模型，對縱向搭接長度為5，4，3，2m等4種工況下的拱頂沉降變形進行模擬計算，根據計算結果，繪制出如圖1所示的拱頂最大沉降量和搭接長度之間的變化曲線。由圖1可知，拱頂的沉降變形隨著縱向搭接長度的增加而減小，且呈現出接近線性的變化特點。由于引水隧洞上方的圍巖已經施作了超前注漿進行加固，因此，各種計算方案下的拱頂沉降并沒有明顯的突變性變化。從具體的計算結果來看，當縱向搭接長度為2m時，拱頂的沉降變形量最大，達到42.81mm；當縱向搭接長度為5m時，拱頂的沉降變形量最小，為41.88mm，兩者比較接近，差值不足1.00mm。由此可見，超前注漿加固的縱向搭接長度對引水隧洞拱頂沉降變形的影響極為有限，在工程設計中不需進行重點考慮。

圖1 拱頂沉降量變化曲線

3.3 掌子面擠出變形

利用構建的有限元計算模型，對縱向搭接長度為5，4，3，2m等4種工況下的掌子面擠出變形進行模擬計算。根據計算結果，繪制出如圖2所示的掌子面擠出變形量隨搭接長度的變化曲線。由圖2可知，隨著縱向搭接長度的不斷減小，掌子面的擠出變形呈現出不斷增大的變化特點，究其原因，縱向搭接長度越小，施工掌子面距離沒有進行超前加固的圍巖斷層破碎帶越近，受到破碎帶的影響也就越大，并造成掌子面擠出變形量的增大。從具體變化的特征來看，當縱向搭接長度大于3m時，掌子面擠出變形量的變化幅度較小，當縱向搭接長度由3m減小到2m時，掌子面擠出變形急速增大，呈現出明顯的突變特征。由此可見，從掌子面擠出變形量來看，縱向搭接長度應該以3m為宜。

圖2 掌子面擠出變形變化曲線

4 結語

在水利工程建設中，科學合理的結構設計可以降低施工成本，提高工程質量。此次研究以清原抽水蓄能電站為工程背景，利用數值模擬的方法研究了縱向搭接長度對超前注漿加固效果的影響：縱向搭接的長度越小，塑性區(qū)的范圍越大，當縱向搭接長度為1m時，會引發(fā)引水隧洞圍巖的滑塌，因此縱向最小搭接長度應該為2m；超前注漿加固的縱向搭接長度對引水隧洞拱頂沉降變形的影響極為有限，在工程設計中不需重點關注；掌子面的擠出變形隨著縱向搭接長度減小而增加，且小于3m時會有明顯的突變；綜合研究成果和工程經濟性，建議采用3m的超前注漿加固縱向搭接長度。