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苏基克纳里水电站调压竖井无锚支护研究

2024-09-29 94 上传者：管理员

摘要：文中以巴基斯坦苏基克纳里调压竖井为例，探讨竖井Q4类围岩和Q5类围岩的无锚支护形式，即型钢加喷混凝土支护措施在实际工程中的可行性和安全性，利用有限差分软件FLAC3D对该工程开挖支护过程进行三维模型建立及数值分析，并通过计算得到加喷混凝土及型钢的受力状态，取得较好的无锚支护结果。施工期对施工竖井的监测显示，该支护方式安全可靠，施工工序减少，工程投资节省，也为其他类似工程提供了有价值参考。

关键词：
FLAC3D
型钢
引水式水电站工程
无锚支护
竖井
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1、工程概况

苏基克纳里水电站工程位于巴基斯坦开伯尔-普什图省的昆哈(Kunhar)河上，是一座高水头、长隧洞引水式水电站工程。电站安装4台单机容量为221.0 MW的冲击式水轮发电机组，总装机容量884.00 MW,由拦河坝、溢洪道、电站进水口、引水隧洞、调压竖井、压力管道、地下厂房及尾水隧洞等主要建筑物组成。

调压竖井位于引水隧洞末端，与引水隧洞相交与HT23+125.647。调压竖井由调压上室、竖井组成。调压竖井顶高程2 320.00 m, 井底高程2 056 m, 调压竖井长度为234.0 m, 竖井采用圆形断面，净断面直径为5.85 m。

2、地质信息

调压竖井地表分布的第四系堆积物为坡崩积物(Q4dl+col),以碎石土为主，根据周边基岩出露和断面接露情况，覆盖层厚度较薄。地表出露基岩为寒武系Mahandri组地层，岩性主要为石英云母片岩等。

调压竖井部位基岩片理总体走向为NE60°～NE80°,倾向NW,倾角以60°～80°为主，地表局部受构造、卸荷等影响，倾角相对较缓。依据地表测绘，岩体内局部发育小规模剪切破碎带，带宽一般在10～30 cm, 带内岩体多为碎块状。

调压竖井岩体以物理风化为主，地表的石英云母片岩基本以弱风化为主，局部为强风化状。

调压竖井部位岩性主要为石英云母片岩，推测岩体的风化状态以弱风化为主，调压竖井下部为微风化～新鲜，推测调压竖井岩体围岩类别主要为Q2a和Q3。

由于调压竖井位于断层F18和断层F18-1之间，岩体的完整性一般，推测调压竖井上部岩体以弱风化为主，底部为微风化～新鲜，调压竖井部位的地下水位埋深较深。

根据钻孔资料，推测调压竖井上部岩体以Q4和Q5类围岩为主，下部以Q3和Q4类围岩为主，夹杂20 m左右Q5类围岩。调压竖井部位的地下水位埋深较深。

一般的，采用广义Hoek-Brown准则和有限元反演方法分别得到岩体弹塑性力学参数和流变参数，并通过数值分析得到围岩与支护结构受力与变形规律，从而提出合理支护方案，这对于软岩大变形隧道支护设计是合理可行的[1]。因此根据Hoek-Brown准则推导围岩力学参数选取计算参数见表1。

表1围岩力学参数

图1调压钻孔围岩分类图

图2调压竖井支护断面图

3、作用机理

竖井支护系统的基本功能是维持围岩的长期稳定。支护的本质作用是“利用围岩承载”和“协助围岩承载”。围岩既作为载荷来源，又是载荷的主要承担者，其力学特性必然影响到整个系统的稳定性。因此，最大限度地调动围岩自承载能力是竖井支护的基本原则。

喷射混凝土和拱架施作于隧道围岩表面，其作用机制为因隧道发生向临空面内的变形而对围岩提供支护反力，其主要作用为“协助”围岩承载，可称为“表面初期支护”,锚固体系作为围岩加固和地层改良层面的内容，其核心作用应是“调动”围岩承载，则可称之为“深层初期支护”。[2]隧道初期支护不同构件的力学性能及作用机理不同，因此对围岩条件的适应性也有一定差别。

对于层状结构地层，其围岩结构表现为“复合梁”形式，锚杆通过“组合梁”作用将浅层围岩各岩层有机结合，防止层间错动和离层，并将内侧“组合梁”结构悬吊至外侧稳定的深层围岩，从而提高了围岩稳定性；而对于散体结构地层，其围岩结构则表现为“复合拱”形式，一般的锚杆通过“压缩拱”作用在隧道周边形成具有一定承载能力的拱形压缩带，从而提高了浅层围岩的刚度和强度。

但是竖井软弱夹层的地质情况使得锚杆支护区均处于围岩塑性区域，组合梁作用大大弱化，竖井支护区域无法形成稳定的围岩体，用固结注浆结合型钢喷护的支护形式可以更快的形成竖井区域稳定围岩体。

固基于无锚支护能大大减少施工工序，节省施工成本，且对于软弱破碎围岩，竖井开挖后塑性区域超过锚杆控制范围，锚杆的支护效率较低，通过模拟H型钢加喷混凝土的支护方式来研究无锚支护的可行性有一定意义。

4、物理力学模型

采用有限差分软件Flac3D进行三维分析，建立调压竖井三维模型，模型几何尺寸取40 m×40 m×100 m(长×宽×高)。模型包含94 536个单元和95 667个节点。边界条件为下边界，位移为零；在左、右、前、后边界，施加水平构造应力；上边界，自由边界。在分析中，为了提高安全系数，侧压系数取值为1。围岩采用Mohr-Colomb弹塑性本构模型，喷射混凝土采用Flac3D内置shell单元模拟，钢支撑采用beam单元模拟，但在初始应力场模拟时，采用较高的岩体参数或采用弹性模块进行计算[5],避免由于岩体参数过低在模拟初始应力场中产生塑性区，模型上部边界为自由边界施加自重力边界荷载，其余边界施加位移约束，模型如图3所示。

图3 Flac3D三维模型

根据实验室材料检测数据，模型中材料力学参数如下：

H200型钢相关参数：截面为200 mm×200 mm×10 mm×12 mm, 截面面积65.59 cm2;x轴截面惯性矩Ix=4 701.35 cm4,y轴截面惯性矩Iy=1 601.46 cm4,x轴截面模量Wx=470.13 cm3,y轴截面模量Wy=160.13 cm3。

H200型钢抗拉强度：495 MPa; 屈服强度：290 MPa; 喷混凝土强度为27.6 MPa, 抗拉强度2.76 MPa。

5、应力分析

5.1 边界条件

根据工程区地应力测量成果，工程区的水平构造作用力明显，最大水平主应力占主导，模型地应力场按下式施加：

式中，σv为竖直地应力，MPa;σH为垂直隧洞轴线方向地应力，MPa;σh为平行隧洞轴线方向地应力，MPa。

根据沿线预测数据，拟合的最大水平主应力(σH)、自重应力(σz)、最小水平主应力(σh)随深度的变化关系见图4。

图4岩体初始地应力随深度变化关系曲线

最大水平主应力为1.01～49.93 MPa, 最小水平主应力为0.55～30.13 MPa, 垂直向应力为0.28～38.78 MPa。最大水平主应力侧压系数(λ1=σH/σz)集中分布在1.1～1.8之间，最小水平主应力侧压系数(λ2=σh/σz)集中分布在0.6～1.0之间。

根据该工程调压竖井布置特点，取200 m处埋深进行模拟计算。

5.2 分析技术路线

从调压竖井施工实际开挖支护循环周期出发，分析喷混凝土和H200型钢在开挖支护过程中的应力状态，来评判该无锚型钢喷护支护方式的安全度。

图5一次支护应力分析流程图

5.3 支护稳定性分析

支护应力按照Q4类围岩和Q5类围岩200 m埋深两种情况进行模拟计算，开挖6个循环后读取最终一次支护喷混和型钢应力结果，如图6至图11。

图6 Q4围岩开挖施工Sxx应力图

图7 Q4围岩开挖施工Syy应力图

图8 Q4围岩开挖施工Szz应力图

图9 Q4围岩喷混凝土最大纤维应力

图10 Q4围岩开挖施工变形

图11 Q4围岩钢支撑轴向应力

由以上分析过程及结果可以看出，主应力基本上都为压应力。各开挖循环过程中，开挖面围岩应力分布规律基本一致，数值接近。受开挖时间先后影响，远离掌子面应力释放越多，远离掌子面应力变形越小，故按施工循环应力皆呈现波形分布，最大变形位置发生在远端掌子面，为29 mm, 符合开挖应力释放的规律。

对于Q4类围岩200 m埋深无锚支护模拟结果：

1)喷护混凝土最大压应力13.7 MPa, 小于抗压强度27.6 MPa;

2)喷混凝土最大拉应力1.61 MPa, 小于抗拉强度2.76 MPa, 喷混凝土结构安全。

3)钢支撑轴向最大应力为125 MPa, 小于屈服应力值290 MPa, 处于稳定状态。

通过以上分析可以看出Q4类围岩支护措施满足施工安全要求。

Q5类围岩分析同Q4类围岩分析一样，主应力也基本上都为压应力。各开挖循环过程中，开挖面围岩应力分布规律基本一致，数值接近。受开挖时间先后影响，远离掌子面应力释放越多，远离掌子面应力变形越小，故按施工循环应力皆呈现波形分布，最大变形位置发生在远端掌子面，为0.17 m。井壁围岩基本稳定，掌子面变形较大，但在规范要求范围内。

对于Q5类围岩200 m埋深无锚支护模拟结果：

1)喷护凝土最大压应力24.5 MPa, 小于抗压强度27.6 MPa;

2)喷混凝土最大拉应力2.35 MPa, 小于抗拉强度2.76 MPa, 喷混凝土结构安全。

3)钢支撑轴向最大应力为226 MPa, 小于屈服应力值290 MPa, 处于稳定状态。

通过以上分析可以看出Q5类围岩支护措施满足施工安全要求。

6、变形监测

为验证设计合理及可行性在竖井施工过程中安装临时收敛监测点并进行长期变形监测，共设两处监测断面，断面间隔50 m, 埋深分别为150 m(Q5类围岩)和200 m(Q4类围岩)。监测点布置如图12所示，监测结果如表2和表3所示。

图12竖井收敛断面安装示意图

表2埋深150 m竖井收敛变形情况统计表

表2监测数据剔除了监测过程中异常数据部分，通过整理后监测数据可知在埋深150 m处最大累计收敛变化量为10.0 mm, 收敛变形速率趋于稳定，监测天数178 d, 日均变形量0.056 mm/d。相较于FLAC3D模拟计算中Q5类变形为170 mm, 大大减少，证明支护措施是可靠的。同样说明数值模拟跟施工实际情况是有差距的。

表3埋深200 m竖井收敛变形情况统计表

通过表3监测数据可知，在埋深200 m处最大累计收敛变化量为-11.0 mm, 平均收敛量在4 mm左右收敛变形速率趋于稳定，监测天数178 d, 日均变形量0.061 mm/d。相较于FLAC3D模拟计算中Q4类变形为29 mm, 大大减少，证明支护措施是可靠的。

围岩变形基本稳定的判定标准参见《GB-50086岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》和《岩土工程监测手册》。由统计规律来看，一般在变形小于0.2 mm/d时可认为基本稳定。在有长期观测(大于3个月)成果时，观测后期全月平均小于0.1 mm/d时认为是稳定的。

7、结论

对于该工程调压竖井的Q4围岩采用200 mm厚喷混凝土，钢支撑采用H200型钢，间距1.5 m布置；Q5围岩采用250 mm厚喷混凝土，钢支撑采用H200型钢间距0.75 m布置的无锚支护形式，喷混凝土的应力结果及型钢支撑的应力结果均在合理的设计范围内，因此对于施工期的一次支护安全性和稳定性是可靠的。通过安装监测点进行施工期变形监测，经过长期监测表明支护后的竖井区域稳定可靠，进一步证明设计的合理性及可靠性。文中通过模拟计算和监测验证给类似工程安全快速支护施工提供了计算依据。需要说明的是文中模拟未考虑超前支护的作用，但对于破碎围岩的开挖状况，掌子面塑性区及变性较大，应该增加必要超前支护措施。

参考文献:

[1]孙振宇,张顶立,房倩,等.隧道支护结构体系协同优化设计方法及其应用[J].岩土工程学报,2021(3):530-539.

[2]戴永浩,陈卫忠,田洪铭,等.深大梁隧道软岩大变形及其支护方案研究[J].岩石力学与工程学报,2015(2):34-37.

[3]余伟健,高谦.大面积充填采矿时的流固耦合数值分析及优化[J].矿业工程研究,2009(4):11-17.

[5]王世君.2022冬奥会张家口山地转播中心项目深基坑支护和监测方案实践[J],河北水利电力学院学报,2022(3):21-27.

[6] 罗才松,孙旭龙,张云,等.沿海软土地基大型基坑开挖过程中的监测[J],河北水利电力学院学报,2019(3):44-51.

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[8]李勇恩,才俭峰,余健.深竖井一次反拉成形时塌方的预防措施[J].湖南水利水电,2018(5):12-14.

基金资助:河北省高等学校科学技术研究资助项目(BJ2021256); 教育部第二期供需对接就业育人项目(20230113517､20230113516);

文章来源:赵建利,郝雪航,余洋,等.苏基克纳里水电站调压竖井无锚支护研究[J].河北水利电力学院学报,2024,34(03):38-44.