基于FLAC3D模型的锚索长度对软岩输水隧洞支护影响研究

(辽宁西北发电有限责任公司清湖电厂，辽宁 开原 112309)

1 工程背景

猴山水库工程位于辽宁省绥中县范家乡赵家甸村境内的狗河上，下游距离绥中县城约35km[1]。猴山水库坝址以上河道长47.90km，控制流域面积约377km2，约占狗河全部流域面积的70%。猴山水库工程枢纽建筑物由混凝土重力坝、输水隧洞、环境及灌溉供水管组成。拦河主坝长349m，挡水副坝长80m，坝高51.6m，输水隧洞长6.2km。猴山水库设计库容为1.6亿m3，是一座以城市供水为主兼具防洪和改善下游农业灌溉条件的Ⅱ等[2]大型水库工程。水库建成后，每年可向东戴河新区供水2828万m3，有效解决东戴河新区工业与生活用水不足问题，为东戴河新区的快速健康发展提供水资源保障。

施工前的地质勘测结果显示，输水隧洞主要岩体为微风化到弱风化状态，由于受构造的影响比较严重，节理和裂隙发育较为明显，开挖施工难度较大。在施工过程中，输水隧洞的进口段和出口段采用钻爆法施工，全断面隧洞则采用TBM施工。在输水隧洞TBM掘进施工至桩号0+285位置时，遭遇逆断层，岩性主要是碎裂岩、糜棱岩和断层泥砾，岩层自稳能力较差。结合上述工程背景，拟采用锚杆-锚索组合支护方式。

2 FLAC3D数值计算模型的建立

2.1 模型简介与适用性分析

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由美国ITASCA公司开发的仿真计算软件[3]。目前，FLAC有二维和三维计算程序两个版本，是二维有限差分程序FLAC2D的拓展，可以进行土质、岩石以及其他各种材料的三维结构受力特征数值模拟以及塑性流动分析。由于采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，计算中无须构建刚度矩阵即可实现对模拟材料塑性破坏以及流动的准确模拟，因此可以在较小的内存空间内求解大范围的三维问题。因此，将FIAC3D模型用于锚索长度对软岩输水隧洞支护影响研究可以达到比较满意的效果。

2.2 模型的建立

为了探讨锚索长度对软岩输水隧洞支护的影响，为具体施工设计中的锚索长度选择提供理论依据，本次研究采用FLAC3D有限元分析软件，对猴山水库输水隧洞软岩破碎段的支护体系进行数值模拟计算[4]。结合相关研究成果和工程经验，本次模型的计算区域从拱顶竖直向上取30.0m，如果埋深小于30.0m，则取至地面[5-6]；从拱底向下取30.0m；为了充分研究输水隧洞开挖过程中的空间效应，模型的纵向长度取12.0m。在位移边界条件模拟中，模型的下表面Z方向位移确定，左右边界施加X方向应力边界，而在计算的前后边界Y方向位移确定不变。为了提高模型计算的精度，对模型采取1∶1比例的正六面体网格划分，最终获得11400个计算单元，15625个计算节点。

2.3 计算参数

研究段输水隧洞的围岩主要为碎裂岩、糜棱岩和断层泥砾，结合相关工程经验和实验室实验结果，确定模型计算参数(见表1)。

表1 围岩岩体物理力学参数

2.4 计算过程

研究洞段拟采用锚杆-锚索联合支护方式，在输水隧洞掘进之后首先在围岩中施加锚杆支护，在围岩初步稳定之后再进行锚索支护。根据相关研究成果和施工经验，锚索的预应力过大反而不利于围岩表面的岩体稳定[7]。因此，本次研究中采取的是无预应力锚索，并设定其长度分别为5.0m、6.0m、7.0m和8.0m四种不同工况进行计算，同时获取不同工况下FLAC3D计算模型中的拱顶竖向位移量拱腰水平位移量，并将获得的位移计算结果利用Origin软件，生成不同计算点位的位移量(S)与点位本身距离输水隧洞围岩表面的距离(H)变化之间的拟合曲线，然后取导数获得位移梯度函数，并以此为依据绘制出不同计算点位的位移梯度与点位本身距离输水隧洞围岩表面的距离变化之间的拟合曲线，最终得到不同锚索长度对输水隧洞围岩稳定性的影响规律[8]。

3 计算结果分析

利用构建的FLAC3D模型，在输水隧洞开挖400个时间步之后施加锚杆支护，再经过800个时间步之后对输水隧洞围岩施加无预应力锚索。在计算结果稳定之后提取拱顶最大竖向位移值(见表2)、腰部最大水平位移值以及锚杆锚索最大支护力等相关计算结果。

利用tecplot后处理软件对输水隧洞腰部不同数据点的水平位移值和竖向位移值进行计算。部分计算结果见表3和表4。

表2 最大位移值和支护力计算结果

表3 不同计算点位距围岩表面距离值和水平位移值关系模拟结果

表4 不同计算点位距围岩表面距离值和竖向位移值关系模拟结果

将计算结果利用Origin软件计算获取位移梯度函数(见图1和图2)。由图可知，在输水隧洞的水平与竖向等不同方向上，围岩深部岩体位移受锚索长度的影响较小。由图1可知，在输水隧洞腰部水平方向上，距离围岩表面5m之外的变形和位移受锚索长度的影响极为有限，不同模型的位移梯度函数曲线几乎完全重合。究其原因，主要是上述区域的锚索与岩体之间并未产生相对位移，导致锚索并未发挥实际作用。这也说明，在输水隧洞施工中对围岩岩体的扰动范围不超过5m。因此，只要对距离输水隧洞围岩表面5m范围内施加有效的支护，即可实现锚杆-锚索联合锚固体的稳固，即使将锚索延长至深部，也难以在增强浅部岩体承载能力方面发挥更为明显的作用。由图2可知，从竖向位移来看，锚索的长度会对距离围岩表面8m之外的岩体变形和位移造成一定影响。同时，锚索的长度越长，浅部岩体的位移梯度越小，对减少围岩的碎胀程度作用明显。因此，增加锚索的长度对降低围岩顶部岩体的破碎程度具有一定的可行性。结合以上分析，建议在施工过程中，在输水隧洞的两侧边墙采用5m长的锚索，在围岩的拱顶部位采用8m长的锚索。上述锚索长度的选择可以在保证输水隧洞围岩稳定的情况下，实现节约支护成本的目的。

图1 水平位移梯度曲线

图2 竖向位移梯度曲线

4 结 论

水利工程地下洞室开挖支护中，特别是高地应力、承载力差的软弱岩层支护中，锚杆和锚索支护具有不可替代的价值和优势，往往成为此类工程围岩支护的重要组成部分。本文以辽宁省猴山水库输水隧洞为例，利用FLAC3D数值模拟软件研究了锚索长度对软岩输水隧洞支护的影响。结论为：在输水隧洞水平与竖向不同方向上，围岩深部岩体位移受锚索长度的影响较小，其中，在输水隧洞腰部水平方向上，距离围岩表面5m之外的变形和位移受锚索长度的影响极为有限，从竖向位移看，锚索的长度会对距离围岩表面8m之外的岩体变形和位移造成一定影响；根据模拟计算结果，建议施工过程中，在输水隧洞的两侧边墙采用5m长的锚索，在围岩的拱顶部位采用8m长的锚索。