深埋引水岔管围岩稳定三维数值分析

王有为

（中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，石家庄 050031）

在实现“双碳”战略目标、加快构建新型电力系统进程中，抽水蓄能电站在系统中所具备的调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动等功能，是保障电力系统安全稳定运行、 可再生能源大规模利用的重要支撑。为降低工程造价，减小土石方开挖，抽水蓄能电站常采用联合供水或分组供水方案， 这样就需采用较大洞径的发电引水隧洞和分岔管。 这类结构具有高内水压、高外水压和大直径等特点，岔管结构受力复杂， 在围岩稳定和衬砌设计等方面至今仍有许多难题需要解决［1-2］。

本文借助FLAC 3D 三维数值分析软件对地下洞室的施工开挖、锚杆支护进行三维数值模拟，以了解各种工况下的围岩变形、应力和塑性区分布及锚杆受力等情况，并给出相应建议，为相关研究提供参考。

1 工程概况

本文以国内某抽水蓄能电站引水岔管为例进行三维数值分析。电站引水系统采用“一洞三机”布置方式，建设上水库进出水口、引水隧洞、引水支洞、引水事故闸门井等建筑物。 两组引水岔管分岔角均为60°，相互间距为69 m。主管采用钢筋混凝土衬砌，直径为7.7 m，支管采用钢板衬砌，直径为3.4 m。通过采用变中心线高程设计， 让主、 支管底部位于同一高程，保证管道放空时不用抽水即能自流排水。

引水岔管埋深约500 m，所在区域岩性以石英二长岩为主，呈整体块状结构，围岩以Ⅰ类为主。裂隙不发育，有3 条由碎块岩和断层泥组成的小断层。为减小外水压力，在距引水支洞顶113 m 处设置“E”型排水洞，渗水由排水洞内的排水沟引向尾水调压井。最大静水头数值约588 m， 考虑水锤和脉动压力作用，最大设计水头数值约735 m。

2 计算模型、参数与工况

2.1 计算模型

根据计算要求和一般经验［3］，本模型选取范围大于5 倍的洞径，采用八节点六面体单元，对引水岔管岔角处重点研究的部位进行网格加密。 三维数值模型剖分网格如图1，引水岔管剖分网格如图2。

图1 三维数值模型剖分网格

地应力场有限元反演分析的方法有直接调整边界条件法和多元回归分析法［4］。本次计算采用直接调整边界条件法进行地应力场的反演分析， 应用摩尔-库仑屈服准则。

2.2 计算参数

围岩力学参数及支护参数如表1～表2。

表1 计算采用的围岩力学参数

表2 支护参数

2.3 计算方案及工况

方案一，开挖不实施锚固支护方案；方案二，开挖并实施锚固支护方案。 两方案对应的计算工况：①开挖完成； ②衬砌支护，2#管放空， 外水压力p=230 m，1#管运行，外水压力p=270 m；③运行工况，两管道外水压力p=300 m；④放空工况，两管道外水压力p=300 m。

3 效果分析

3.1 围岩变形分析

当洞室开挖后，由于存在临空面，围岩发生朝向洞内的变形，主洞的变形要大于支洞变形，数值如表3。在同一横截面中，洞室顶部的位移较大。其中，主洞和岔洞相贯处顶部岩体位移最大，数值为4.80 mm。在衬砌支护工况下，衬砌外壁作用有外水压力， 围岩向内位移值有所增大， 最大数值达7.00 mm。在运行工况下，在衬砌内壁内外水压力作用下，围岩变形有所减小，有利于围岩稳定。在放空工况下，外水压力增大、内水消失，主岔洞贯通处最大位移值为7.30 mm。当实施锚杆支护时，对应各工况下的围岩位移值均有所减小， 锚杆支护对于限制围岩变形起到一定作用。

表3 各方案工况下2#管围岩典型断面的最大位移值u单位：mm

3.2 围岩应力分析

洞室开挖后打破了围岩原有的力学平衡， 出现了应力重新分布等现象［5］。围岩整体上处于受压状态。由于“卜”形结构不对称，围岩受力状态较为复杂，在岔洞尖角处有较为明显的应力集中现象。如图3、图4，有无锚杆支护的两种方案下，最大压应力变化不大，数值约24.0 MPa，发生在岔角锐角处，低于围岩的抗压强度。但在衬砌支护、管道放空工况下，在岔洞局部小范围出现拉应力， 数值约1.5 MPa。在运行工况下，内水压力部分抵消了围岩地应力释放，围岩没有出现受拉情况，有利于围岩稳定。

图3 方案一衬砌完建工况σ3 分布图

图4 方案二衬砌完建工况σ3 分布图

3.3 围岩塑性分析

主洞与支洞的圆形截面受力分布较为均匀，塑性区分部范围不大。但是在岔洞处，洞室体型连续性被破坏，造成了较大范围的岩体进入塑性屈服。在衬砌支护、管道放空工况下，主洞与支洞贯通处顶部塑性区深度最大为3.0 m。在运行工况下，由于内水压力的压张作用，岩体受力状况得以改善，塑性变形得到限制。当采取锚杆支护时，塑性区开展范围有所缩小，最大塑性屈服深度约2.0 m。

3.4 锚杆受力分析

数值分析中，按照适时支护的原则施加锚杆，采用CABLE 单元进行模拟。洞室开挖后，在衬砌支护、放空工况下，主洞与支洞贯通处的围岩变形较大，此时锚杆能够充分发挥限制围岩变形的作用， 承受着较大的拉应力。如表4，在放空工况下，锚杆最大拉应力为101.86 MPa，发生在主岔洞相贯处的顶部，未超过极限抗拉强度， 这种适时支护的施工方式是可行的。

表4 典型锚杆受力成果汇总

4 结语

（1）洞室开挖后，围岩产生向内位移，在岔洞岔角处出现应力集中现象，塑性区开展深度较大。通过对比是否实施支护两种方案下的计算结果可以看出，实施支护措施后锚杆起到良好的加固作用，围岩的位移值、 应力值及塑性区的开展深度均有所减小。

（2）由于岔管结构不对称、体型复杂，在岔洞局部范围出现拉应力。为确保洞室的长期稳定，在岔角处应重点加强支护措施，提高灌浆强度、加长加密锚杆长度，将岔洞处的尖角修为圆角，改善应力状态。

（3） 本文对不同工况下锚杆的受力进行数值模拟，结果表明主洞与岔洞贯通处锚杆作用发挥充分，起到很好的效果。但在工程实践中，锚杆受力情况较为复杂，与岩体特性、支护时间、施工质量息息相关，其自身特性有待深入研究。 建议洞室开挖后应及时采取喷锚支护，保证围岩稳定。