左岸泄洪洞無壓段施工數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)分析

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,左岸泄洪洞無壓段施工數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)分析,左岸泄洪洞無壓段開挖支護(hù)施工,數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)分析,匯報(bào)：劉正樹,2009年10月,摘要：,本文介紹了溪洛渡水電站左岸泄洪洞無壓段開挖支護(hù)施工方案。結(jié)合左岸泄洪洞無壓段圍巖物理力學(xué)參數(shù)、支護(hù)參數(shù)，利用phase2二維有限元分析軟件對(duì)各開挖支護(hù)過程位移進(jìn)行了數(shù)值模擬。同時(shí)對(duì)施工期監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行了介紹，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。,1、引言,溪洛渡水電站是金沙江干流梯級(jí)規(guī)劃方案中規(guī)模最大的水電站，由雙曲拱壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成，最大壩高278.00m，總裝機(jī)容量1260萬kw。,左岸布置有1#、2#兩條泄洪洞，其軸線平行，中心間距為50.00m。進(jìn)口軸線方位角NE86.19，出口軸線方位角NW31.81，泄洪洞為有壓接無壓，洞內(nèi)龍落尾型式。,左岸泄洪洞無壓段是左岸泄洪洞水道重要組成部分，其開挖斷面大、邊墻高、軸線長(zhǎng)，襯砌后凈空面積約250m2，為有壓段襯砌后凈空面積的1.41倍。1#泄洪洞無壓段直坡段長(zhǎng)766.78m，2#泄洪洞無壓直坡段長(zhǎng)623.06m，底坡均為i=0.023。,筆者根據(jù)溪洛渡左岸泄洪無壓段開挖支護(hù)參數(shù)、物理力學(xué)參數(shù)、施工方案，利用2維有限元軟件對(duì)開挖支護(hù)過程位移進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行介紹分析，供參考。,2、設(shè)計(jì)開挖支護(hù)參數(shù),左岸泄洪洞無壓段開挖斷面為圓拱直墻型，根據(jù)圍巖類別不同主要三種開挖支護(hù)參數(shù)：,類圍巖：開挖斷面15.7m20.65m，頂拱開挖半徑8.85m，頂拱及側(cè)墻素噴5cm厚C25砼,布置25、L=4.5m錨桿、外露0.5m、間排距2m。,1類圍巖：開挖斷面16.2m21.1m、頂拱開挖半徑9.10m，頂拱及側(cè)墻素噴10cm 厚C25砼，頂拱及側(cè)墻上部3m范圍交替布置25、L=4.5m錨桿與28、L=6.0m錨桿、外露0.5m、間排距2m，其余范圍布置25、L=4.5m錨桿、外露0.5m、間排距2m。,2類圍巖：開挖斷面尺寸同1類圍巖，支護(hù)形式：頂拱及側(cè)墻噴10cm 厚C25砼，頂拱及側(cè)墻上部3m范圍布置28、L=6.0m錨桿、外露0.5m、間排距1.5m，其余范圍交替布置25、L=4.5m錨桿與28、L=6.0m錨桿、外露0.5m、間排距2m，頂拱及側(cè)墻上部3m范圍掛網(wǎng)6.5150*150。,3、地質(zhì)條件,溪洛渡工程在區(qū)域地貌上位于青藏高原和云貴高原向四川盆地過渡的斜坡地帶，地勢(shì)總體呈西高東低之勢(shì)，山脈走向受地質(zhì)構(gòu)造控制，以近南北及北東向?yàn)橹鳌?左岸泄洪洞深埋段上覆巖體厚100250m，水平埋深200500m。沿線洞身圍巖以、1類為主，部分2類。沿線地層巖性為P29 P212層致密狀玄武巖及角礫(集塊)熔巖。沿線地層巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體新鮮，嵌合緊密，巖體多呈塊狀次塊狀結(jié)構(gòu)，局部層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育段巖體呈鑲嵌結(jié)構(gòu)。,表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表,圍巖類別,密度g/cm3,變形模量E0（Gpa）,泊松比,抗剪斷強(qiáng)度f,抗剪斷強(qiáng)度C（Mpa）,堅(jiān)固系數(shù)f,水平,垂直,2.7,1726,1216,0.2,1.35,2.5,67,1,2.6,1116,1012,0.25,1.22,2.2,56,2,2.5,57,46,0.25,1.20,1.4,45,溪洛渡地區(qū)地應(yīng)力三向應(yīng)力值1=14.7921.06MPa，平均值為17.94MPa；2=10.0515.85MPa，平均值為13.10MPa；3=4.057.59MPa，平均值為5.73MPa。2傾角較陡，1、3傾角平緩。三向應(yīng)力之比為：1/2=1.37；1/3=3.14；2/3=2.29。2傾角較陡，1、3傾角平緩。在埋深較大的狀態(tài)下，天然地應(yīng)力場(chǎng)仍以近水平的構(gòu)造應(yīng)力為主。,1總體方向以NW向?yàn)橹鳎?，與岸坡呈1030的夾角。2的方向中有7組方向?yàn)镾1478W；6組方向?yàn)镹1068W，傾角均大于60。3的方向中有10組方向?yàn)镹3555E；2組方向?yàn)镹1025E；1組方向?yàn)镹15W，傾角均小于30。,4、施工程序與方法,4.1、施工程序,左岸泄洪洞無壓段斷面大，故采取“三層四序”進(jìn)行開挖支護(hù)施工。對(duì)1、2類圍巖，層開挖高度8.45m,層開挖高度9.45m，層開挖高度3.2m。,施工程序：,層A區(qū)開挖、支護(hù)（1序）,層B區(qū)開挖、支護(hù)（2序）,層開挖、支護(hù)（3序）,層開挖、支護(hù)（4序）,4.2、施工方法,（1）中導(dǎo)洞及兩側(cè)墻開挖：采用周邊光面爆破技術(shù)，YT28手風(fēng)鉆造水平孔，循環(huán)進(jìn)尺控制在2.5m,3.0m；周邊孔距離控制在45cm，光爆層厚控制60cm；周邊孔采用不偶合間隔裝藥，導(dǎo)爆索起爆，線裝藥密度約120g/m；中導(dǎo)洞炸藥單耗約1.1kg/m3，擴(kuò)挖炸藥單耗約0.65kg/m3；采用1.6m3反鏟進(jìn)行掌子面排險(xiǎn)、清理危石，3.0m3裝載機(jī)輔助端爆破臺(tái)車；采用3.0m3裝載機(jī)或1.6m3反鏟裝20T自卸汽車出渣。,（2）無壓段層開挖：,采用邊墻一次預(yù)裂到底梯段爆破技術(shù)，預(yù)裂孔和緩沖孔采用100E潛孔鉆施工，主爆孔采用D7液壓鉆造孔或100B施工，每一爆破梯段長(zhǎng)度控制在10m內(nèi)；邊墻預(yù)裂要求層擴(kuò)挖技術(shù)超挖15,20cm空間，以便100E鉆機(jī)能貼到輪廓線施工，架設(shè)100E鉆機(jī)的樣架必須穩(wěn)固；預(yù)裂孔間距70cm，線裝藥約500g/m；緩沖孔孔距1.5,1.8m，與預(yù)裂孔距離1.0,1.2m；主爆孔間排距2,2.5m；炸藥單耗約0.60kg/m3；采用1.6m3反鏟裝20T自卸汽車出渣。,（3）無壓段層開挖：,采用底板光面爆破技術(shù)，YT28手風(fēng)鉆造水平孔，循環(huán)進(jìn)尺控制在2.5m,3.0m；光爆孔孔距離控制在45cm左右，采用不偶合間隔裝藥，導(dǎo)爆索起爆，線裝藥密度約120g/m；炸藥單耗約0.6kg/m3；采用1.6m3反鏟進(jìn)行掌子面清理；用1.6m3反鏟裝20T自卸汽車出渣。,（4）支護(hù)：,錨桿主要采用T11多臂鉆造孔，局部錨桿采用手風(fēng)鉆造孔，采用DEGUNA20T錨桿注漿泵注漿，4.5m、6m錨桿采用先注漿后插桿辦法施工，9m錨桿采用先插桿后注漿辦法施工，插桿注漿由人工站在吊車臂頭作業(yè)籃里進(jìn)行,錨桿注漿密實(shí)度采用無損檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)；洞內(nèi)噴砼采用濕噴作業(yè)，噴砼由布置在中心場(chǎng)的HZS90站拌制，6.0m3砼攪拌車運(yùn)輸，麥斯特噴漿手進(jìn)行噴射施工，局部噴砼采用用TK-961濕噴機(jī)進(jìn)行施工，采用無堿速凝劑。,5、數(shù)值模擬,5.1、模型范圍及邊界條件,本次數(shù)值模擬以無壓段各類圍巖條件下開挖支護(hù)過程為對(duì)象，計(jì)算范圍取無壓段3倍洞徑，寬100m，高130m。模型采用四周約束邊界，假定邊界點(diǎn)位移為零。巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1，噴砼、錨桿力學(xué)參數(shù)見表2。,原始地應(yīng)力取值：根據(jù)溪洛渡壩區(qū)地應(yīng)力測(cè)試成果分析，相對(duì)而言泄洪洞埋深不大，地應(yīng)力較低，故本次模擬取三向應(yīng)力的低值，即取1=14.79MPa，2=10.05MPa，3=4.05MPa進(jìn)行開挖支護(hù)變形數(shù)值模擬分析。,三向應(yīng)力的作用方向：1總體方向以NW向?yàn)橹鳎?，?作用方向基本沿?zé)o壓段軸線方向；3總體方向以N3555E為主，傾角小于30，故可近似認(rèn)為3作用方向垂直無壓段橫斷面邊墻。2總體方向向下，傾角大于60。,彈性模量Ec(Gpa),泊松比,抗拉強(qiáng)度(Mpa),抗壓強(qiáng)度(Mpa),C25噴砼,28,0.2,1.27,11.9,25/28錨桿,200,/,300,300,表2 噴砼錨桿力學(xué)參數(shù)表,5.2、計(jì)算程序,利用PHASE2程序進(jìn)行計(jì)算，PHASE2是一個(gè)二維彈塑性有限元分析程序，主要功能是分析巖土體在外力作用下的應(yīng)力和位移，它的用戶界面設(shè)計(jì)遵循著標(biāo)準(zhǔn)的Windows 程序標(biāo)準(zhǔn)，用戶界面設(shè)計(jì)友好，便于操作。,PHASE2 包括三個(gè)模塊：前處理器Model，計(jì)算模塊Compute，后處理器Interpret.。Model用來交互地輸入處理問題的幾何形狀（包括支護(hù)）以及定義材料參數(shù)，Compute 用來進(jìn)行有限元計(jì)算，Interpret 用來顯示計(jì)算結(jié)果。,1序開挖支護(hù),2序開挖支護(hù),3序開挖支護(hù),4序開挖支護(hù),類圍巖,9.2,10.9,11.48,11.58,1類圍巖,11.40,13.83,14.57,14.74,2類圍巖,20.15,24.02,25.69,26.05,表3 各類圍巖在不同開挖支護(hù)階段末最大位移計(jì)算值 mm,從表3、圖2,8可以看出泄洪洞無壓段：,（1）不同類別圍巖，圍巖越差，位移越大。,（2）同一種圍巖，開挖斷面越大，位移則越大?？拷_挖界面巖體位移大，遠(yuǎn)離開挖界面巖體位移小。,（3）開挖跨度越大，頂拱位移越大；開挖高度越大，側(cè)墻位移越大。,（4）1序和2序之間位移變化率較大，2序和3序、4序之間位移變化率較小，說明頂拱位移受跨度影響比較大，而側(cè)墻位移受高度的影響相比頂拱而言較小。由此可以判斷泄洪洞無壓段層開挖支護(hù)分兩序進(jìn)行還是非常有必要。,（5）各類圍巖在第4序開挖支護(hù)完成后，均在頂拱發(fā)生了最大位移。,圖2：各類圍巖各序末位移變形折線圖,圖3：1類圍巖1序位移變形圖,圖4：1類圍巖2序位移變形圖,圖5：1類圍巖3序位移變形圖,圖6：1類圍巖4序位移變形圖,圖7：2類圍巖4序位移變形圖,圖8：類圍巖4序位移變形圖,表4 1類圍巖最大位移計(jì)算值,mm,1,類圍巖,僅地應(yīng)力,僅重力,重力+地應(yīng)力,1序,9.75,3.25,11.40,2序,13.47,3.27,13.83,3序,13.90,2.95,14.57,4序,13.74,2.90,14.74,從表4可以看，地應(yīng)力是引起位移的主要原因，地應(yīng)力對(duì)位移的影響隨著開挖斷面的加大而不斷重新分布成增大趨勢(shì)；重力是引起位移的次要原因，重力對(duì)位移的影響基本上不隨開挖斷面加大而變化,6 安全監(jiān)測(cè),6.1容許變形量,由于巖體條件的復(fù)雜多變和工程不確定因素太多，我國(guó)水利水電工程系統(tǒng)至今尚無可供普遍使用的地下工程“設(shè)計(jì)容許變形量”，國(guó)外前蘇聯(lián)學(xué)者曾提出的如下經(jīng)驗(yàn)公式可參考，據(jù)此算得泄洪洞無壓段最終開挖容許變形量見表5。,拱頂容許變形量,：,邊墻容許變形量：,式中：,f,為堅(jiān)固系數(shù)；L為洞室跨度（m）；H為邊墻自拱腳至底板的高度（m）；,2,值一般從拱腳起算（1/3,2/3）H段內(nèi)測(cè)定,。,表5 各類圍巖最大允許變形量 mm,L（m）,H（m）,f,1（mm）,2（mm）,類圍巖,15.7,15.89,67,10.1712.82,5.827.9,1類圍巖,16.2,16.15,56,13.2317.39,8.1111.68,2類圍巖,16.2,16.15,45,17.3924.30,11.6818.25,將表5成果與前述數(shù)字模擬成果對(duì)比分析，可見泄洪洞無壓段各類圍巖開挖支護(hù)模擬頂拱邊墻最大變形量基本都在表5成果區(qū)間內(nèi)，由此表明泄洪洞無壓段各類圍巖支護(hù)參數(shù)是合理的，開挖支護(hù)方案也是合理的。,6.2 趨向穩(wěn)定判別,當(dāng)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)具備以下變化特征時(shí)，將趨向穩(wěn)定：,（1）隨著開挖面的遠(yuǎn)離，測(cè)值變化速率有逐漸減緩趨勢(shì)；,（2）隧洞收斂量已達(dá)到最大允許收斂斂的90%時(shí)；,（3）周邊收斂速率小于0.2mm/d；頂拱或底板位移速率小于0.1mm/d。,6.3 監(jiān)測(cè)方案及成果,6.3.1收斂觀測(cè),我局根據(jù)溪洛渡工程左岸泄洪洞施工特點(diǎn)，收斂測(cè)點(diǎn)采取分階段布置。1序按三點(diǎn)三線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，頂拱1測(cè)點(diǎn)，兩側(cè)墻各布置1測(cè)點(diǎn)；2序按按三點(diǎn)三線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，頂拱測(cè)點(diǎn)利用1序已布置測(cè)點(diǎn)，兩側(cè)墻重新布置測(cè)點(diǎn)；3序在2序基礎(chǔ)上增加兩點(diǎn)，按五點(diǎn)六線進(jìn)行監(jiān)測(cè)；4序不用重新布置測(cè)點(diǎn)，直接利用前兩序布置測(cè)點(diǎn)，仍然按五點(diǎn)六線進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每隔50,70m設(shè)置一組斷面。,1序、2序，采用鋼尺收斂計(jì)進(jìn)行收斂觀測(cè)。收斂觀測(cè)斷面測(cè)量錨點(diǎn)采用25螺紋鋼筋自制加工，前端為“O型圈”并采取防銹處理措施；測(cè)量錨點(diǎn)鋼筋采用鉆孔灌漿固定，錨固長(zhǎng)度約1.0m；鋼筋總長(zhǎng)度依據(jù)噴砼厚度確定，測(cè)點(diǎn)“O型圈”距噴砼表面為5cm。,3序、4序