李芳存

（朝陽縣凌河保護區(qū)管理局，遼寧 朝陽 122629）

0 引言

水利工程規(guī)模不斷擴大的同時也不斷向地質(zhì)環(huán)境復雜地區(qū)挺近，這給工程設計和建設提出更高的要求。例如，我國的水利工程隧洞建設過程中，處于高地應力地質(zhì)環(huán)境的工程項目占比不斷增加。特別是高地應力軟巖隧洞工程，往往存在較大的圍巖變形、支護變形、破損以及間隙入侵等現(xiàn)象，如果施工設計和處理不當，就會給施工作業(yè)造成無盡的麻煩[1]。因此，高地應力地質(zhì)環(huán)境就成為水利工程中地下洞室工程建設中需要面對和解決的問題。另一方面，隨著支護技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，支護理念也在不斷轉(zhuǎn)變和創(chuàng)新，并主要表現(xiàn)為傳統(tǒng)的被動支護方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃又ёo方式。在主動支護方式中，錨桿支護是最常見的方式，并在淺埋隧洞支護領(lǐng)域有著成熟的理論和應用經(jīng)驗，但是目前的錨桿設計并不適合大埋深高地應力軟巖地質(zhì)環(huán)境，不滿足上述隧洞的支護要求，因此需要在該領(lǐng)域進行進一步的研究和探索。從當前的工程研究來看，主要集中于錨桿的長度、直徑、排距和間距等參數(shù)的優(yōu)化，對錨桿預應力參數(shù)的重視不足。顯然，錨桿預應力作為錨桿支護的重要參數(shù)，會對支護效果產(chǎn)生直接影響，是工程設計中必須要關(guān)注的重要參數(shù)。

此次研究以遼寧清河水庫第二泄洪洞開挖支護工程為例，利用數(shù)值模擬的方式探討錨桿預應力對支護效果的影響，以便為相關(guān)研究和工程設計提供有益的支持和借鑒。

1 工程概況

清河水庫位于遼寧省重要河流清河的干流上，是一座具有多種功能的綜合性大型水利樞紐工程，水庫的建成對提高當?shù)氐姆篮樗剑ＷC水資源的合理利用具有重要作用[2]。清河流域在2005年8月發(fā)生了較大洪水，雖然水庫經(jīng)受住了洪水的考驗，但是其泄洪能力不足的問題也凸顯出來。為了提高水庫的泄洪能力，擬將清河電廠廢棄的回水隧洞改造為第二泄洪洞[3]。根據(jù)工程設計其全長約1 800m，其洞身段為5 m×5.5m的城門洞型斷面結(jié)構(gòu)設計。第二泄洪洞的防洪設防標準為百年一遇計，按照千年一遇洪水標準校核。其中，百年一遇洪水水位為111.46m，對應泄流量為237m3/s，千年一遇洪水水位為112.76m，對應泄流量為371m3/s。項目區(qū)地質(zhì)環(huán)境較為復雜，褶皺活動相對比較強烈，斷層裂隙發(fā)育，大部分洞段為高地應力軟巖洞段，給開挖施工和初支設計提出了較高的要求。結(jié)合工程實際，在泄洪洞開挖過程中采用錨桿-錨索聯(lián)合支護模式，在圍巖整體性較差的部位施加鋼拱架和錨噴。

2 研究方法

2.1 研究思路和內(nèi)容

研究思路此次采用FLAC3D對實際案例進行模擬，分析錨桿預應力對高地應力軟巖隧洞開挖支護效果的影響，以便為背景工程的施工設計提供支持，同時也為相關(guān)類似研究提供借鑒，基于此，以實際工程案例為背景，運用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，圍巖位移、圍巖應力、圍巖塑性區(qū)為參考因素。鑒于高地應力軟巖輸水隧洞開挖施工過程中拱頂和拱肩部位對錨桿設計參數(shù)的影響反映較為顯著[4]，因此研究中主要針對拱頂和拱肩部位的位移和應力進行模擬計算分析。根據(jù)計算結(jié)果探討錨桿預應力對高地應力軟巖隧道支護效果的影響，并對預應力設計優(yōu)化，得到適用于工程實際的合理參數(shù)，達到為實際工程案例參考的目的。

2.2 數(shù)值模型的構(gòu)建

FLAC軟件是美國ITASCA公司開發(fā)的大型通用有限元仿真計算軟件[5]，F(xiàn)LAC3D有限元軟件時FLAC2D軟件的拓展和升級。由于該軟件采用了顯式拉格朗日算法以及混合-離散分區(qū)技術(shù)，因此在對三維材料進行受力分析時并不需要構(gòu)建剛度矩陣，具有顯著的靈活性和便捷性[6]。因此，在數(shù)值模擬計算中選擇FIAC3D軟件進行輸水隧洞的計算模型構(gòu)建。

結(jié)合清河水庫第二輸水隧洞的實際情況，特別是IV級圍巖洞段的工程地質(zhì)特點和支護要求，選擇SD2+143斷面進行計算模型的構(gòu)建。根據(jù)前期的工程設計，該斷面埋深為96m。由于埋深較大，因此具有較高的地應力水平。結(jié)合相關(guān)研究成果，在地下洞室工程開挖施工過程中，開挖施工對圍巖的影響向四周逐漸遞減，在5倍洞徑之外的范圍可以忽略不計[7]。結(jié)合計算精度和工程實際，以開挖洞徑的5倍確定模型的具體計算范圍。

研究中以泄洪洞斷面的中心點為坐標原點，以隧洞中線為Y軸，以指向下游的方向為正方向；以垂直于Y軸的方向為X軸，以指向右側(cè)的方向為正方向；以豎直向上的方向為Z軸的正方向。利用摩爾-庫倫本構(gòu)模型模擬泄洪洞的圍巖彈塑性變形，利用彈性本構(gòu)模型模擬錨桿單元[8]。在模型的網(wǎng)格剖分過程中，選擇6面體8節(jié)點平面應變單元，并對模型的局部進行加密處理，最終獲得12 514個網(wǎng)格單元，13 680個計算節(jié)點。模型的網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 約束條件與計算參數(shù)

在模型計算過程中，選擇位移和應力作為邊界條件，對模型的底部施加豎向位移約束，對模型的兩側(cè)施加水平位移約束，上部為自由邊界條件[9]。由于研究洞段為深埋高地應力洞段，圍壓自重的影響不可忽視。因此，研究中結(jié)合具體的圍巖參數(shù)和地質(zhì)環(huán)境特點，在模型的上邊界施加0.85 MPa的法向荷載施，用于模擬上部圍巖自重，以便使模型盡量準確反映工程實際。模型材料的物理力學參數(shù)也是影響計算結(jié)果科學性和準確性的重要因素。研究中以地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合相關(guān)的工程經(jīng)驗[10]，確定圍巖和支護結(jié)構(gòu)材料的物理力學參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 模型材料物理力學參數(shù)

2.4 計算

根據(jù)工程項目部提出的初步工程設計，錨桿采用的左旋無縱筋等強錨桿，錨桿的直徑為22mm，長度為4.5m，其橫向間距為1.2m，縱向間距為1.5m。在支護過程中首先進行噴射混凝施工，其厚度為25cm，標號為C25號。在支護結(jié)構(gòu)有一定強度之后，再進行襯砌施工，襯砌結(jié)構(gòu)為厚度50cm的C30混凝土。研究中保持錨桿的其余參數(shù)不變，對 錨 桿 分 別 施 加0kN、50kN、100kN、150kN和200kN等5種不同大小的預應力。利用構(gòu)建的有限元模型對不同方案下的圍巖位移、應力、塑性區(qū)以及錨桿軸力進行計算分析，并對計算結(jié)果進行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 圍巖位移

在位移計算結(jié)果中提取出拱頂和拱肩為位移值，結(jié)果如表2所示。由計算結(jié)果可知，泄洪洞拱頂和拱肩的各向位移均隨著錨桿預應力的增加而減小。這說明，增加錨桿的預應力值有助于控制泄洪洞圍巖位移變形。另一方面，拱頂?shù)呢Q向位移和拱肩的水平位移變化較為明顯，其余各向位移的變化量并不大。同時，拱頂?shù)呢Q向位移和拱肩的水平位移減小幅度來看，當錨桿的預應力從0kN增加到50kN以及從50kN增加到100kN時的減小幅度較大，再增加錨桿的預應力，位移量的減小幅度較為有限。

表2 泄洪洞圍巖位移計算結(jié)果

3.2 應力

根據(jù)應力計算結(jié)果，繪制出拱頂和拱肩的應力變化曲線，結(jié)果如圖2和圖3所示。由計算結(jié)果可知，隨著錨桿預應力的增大，拱頂和拱肩部位的最大主應力和最小主應力均呈現(xiàn)出增大的變化特點，但是當錨桿的預應力大于100kN時增加的幅度極為有限。以拱頂圍巖最大主應力來看，當錨桿預應力從0kN增加到100kN時，其最大主應力由10.87MPa增加到15.45MPa，增加約42.13%；當錨桿預應力從100kN增加到200kN時，其最大主應力由15.45MPa增加到16.12MPa，增加約4.34%；當由此可見，錨桿預應力的變化對圍巖應力存在明顯的影響，在一定范圍內(nèi)，設置較大的錨桿預應力對圍巖深部應力有利。

圖2 拱頂應力變化曲線

圖3 拱肩應力變化曲線

3.3 塑性區(qū)以及錨桿軸力

地下洞室工程開挖施工中圍巖由于受到開挖卸荷的影響，會在其表層一定深度范圍內(nèi)形成塑性區(qū)，并對工程的順利進行產(chǎn)生一定程度的影響[11]。因此，塑性區(qū)的范圍也是評價開挖支護效果的重要指標。對塑性區(qū)計算結(jié)果進行統(tǒng)計，繪制出如圖4所示的塑性區(qū)面積分布柱狀圖。由圖可知，圍巖的塑性區(qū)面積會隨著錨桿預應力的增大而減小，之后逐漸趨于穩(wěn)定，當錨桿預應力小于100MPa時，減小的幅度較大，當錨桿預應力大于100MPa時，減小的幅度十分有限。由此可見，增加錨桿預應力，有助于提高地下洞室工程圍巖的力學性能，提高圍巖的承載力，但是隨著錨桿預應力的增加，其作用效果逐漸減小。

圖4 塑性區(qū)面積計算結(jié)果

4 結(jié)論

此次研究以遼寧省清河水庫第二泄洪洞開挖支護施工為背景，利用數(shù)值模擬的方法探討了錨桿預應力對高地應力軟巖泄洪洞圍巖應力和穩(wěn)定性的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

1）拱頂和拱肩的各向位移均隨著錨桿預應力的增加而減小，當錨桿預應力大于100MPa時控制圍巖變形的作用極為有限。

2）錨桿預應力的變化對圍巖應力存在明顯的影響，設置較大的錨桿預應力對圍巖深部應力有利，但是錨桿預應力大于100MPa時的影響作用較為有限。

3）增加錨桿預應力，有助于提高地下洞室工程圍巖的力學性能，提高圍巖的承載力，但是錨桿預應力大于100MPa時，其作用效果逐漸減小。

4）綜合研究成果，建議在背景工程施工中選擇100MPa的錨桿預應力值。