引水隧洞围岩受力变形的数值分析

曾剑锋

（五华县水利水电建设服务中心，广东 梅州 514410）

以某水电站引水隧洞为例，通过设置监测面和监测点，对围岩受力变形情况进行实时监测，分析其变形特点，同时借助有限元模拟方法模拟了围岩受力变形规律，对监测数据进行验证，为相关工程提供了指导意义。

某水电站的主要功能为防洪和发电，主要由混凝土重力坝、溢洪道、泄洪洞、副坝及发电系统组成。引水隧洞位于大坝左侧，总长780 m，开挖边界宽12.80 m，长12.60 m。据地勘报告，隧洞穿过的地层岩性较为复杂，且洞内存在一些溶洞，纵断面与足球场形状相近，横断面与椭圆形相近。隧洞与溶洞高程、走向相同，溶洞内不存在填充物，无地下水。溶洞高11.20～12.80 m，横向宽7.80～9.10 m，纵向长18.50～20.60 m，隧洞左侧墙和溶洞的距离为6.24～7.56 m。

3.1 监测点的布置

依据施工单位的要求、施工条件和规范来设置监测断面的间距。初步设置间距为20 m，由于隧洞旁边有溶洞的存在，并且围岩岩性比较复杂，所以要适当加密监测断面的间距。结合溶洞的形状和位置，设置测试断面3 个，分别监测断面的水平收敛位移和拱顶下沉位移。同时为了方便测试，把周围位移监测点和拱顶下沉测点布置在一个断面上。测试频率设定为：1～15 d，一天2 次；
16 ～30 d，一天1 次；
1～3 个月，一周2～3 次。监测时间为某年的四月到七月。

3.2 监测数据分析

对引水隧洞监测面长达91 d的监测，得出隧洞三个监测面围岩的变形结果。于此仅对监测面1 和监测面2 开展分析研究。对隧洞周围位移结果和拱顶下沉结果进行整理，断面1和断面2位移变化规律大致相同，岩溶隧洞围岩的整个变形过程分为三个阶段：快速增长阶段、平缓增长阶段和基本保持不变阶段。但断面2与断面1相比，水平位移拱顶称沉降各测点的测量结果要略大，这表明隧洞围岩变形的释放率会随着开挖断面处溶洞的增加而增加。通过对断面1、2 各监测点位移值的进一步比较发现，位移增量最大的部位是拱顶处，接着是边墙的水平位移量，最小的是腰拱处水平位移值。别从侧面揭示了当隧洞侧面有溶洞存在时，可以在一定程度上抑制围岩的变形，也说明超前支护工作的必要性和重要性，特别是对隧洞距离溶洞较近的左边墙以及隧洞顶部的超前加固更是十分重要。

4.1 数值模型的建立

由于施工条件和地层岩性较为复杂，所以使用有限元软件建模时，简化了溶洞条件。以地质勘察报告为基础，在建模时对溶洞进行简化处理。分析溶洞勘察资料，把溶洞简化为半椭球+椭圆柱+半椭球。

隧洞工程建模时，范围的设置一般定为开挖断面宽度最大值的3～5 倍。所以各参数取值分别为：26.82 m 为上边界，25 m 为-z 方向值，54 m 为+y 方向（隧道轴向）值，45 m 为-x 方向值，30 m为+x方向值。模型内约束条件设置为：顶部受上部岩石重力作用，表面自由；
左右边界垂直方向自由，水平方向受约束；
底部边界水平方向自由，垂直方向被约束。

4.2 数值模拟结果的分析

隧洞周围围岩的位移特点分析如下。两个断面监测点周围各点特征位置和隧洞拱顶的最终变形计算值如表1、表2 所示；
两个监测断面隧洞围岩变形特点和总位移云图如图1、图2所示（图中左边为溶洞，右边为隧洞）。

表1 拱顶各特征部位最终变形量表

综合分析表1 和表2、图1 及图2，能够总结得出隧洞周围围岩的受力变形规律：隧洞四周围岩朝着隧洞内开始收敛，与溶洞距离较短的隧洞左边墙的水平位移量和拱顶处下沉位移比较大；
与溶洞距离较短的隧洞左边位移值与溶洞距离较长的隧洞右边位移值相比，前者较大。各测点位移水平位移：仰拱底＜右腰拱＜左腰拱＜右边墙＜左边墙；
下沉位移：右边墙＜左边墙＜右腰拱＜左腰拱＜拱顶，并且左边墙在水平方向上的位移量约为右边墙的两倍。除此之外，隧道特征位置的变形量会随着侧部溶洞规模的增加而有不同幅度的增加，但与隧洞溶洞距离较大的右侧变形量总小于距离较短处隧洞左侧的变形量；
并且拱顶下沉的变形量最高，约达到了4.30 mm；
左边墙在水平方向上的变形量略次之，约达到了2 mm；
最小的是水平方向上腰拱的变形量，仅有0.20 mm。

表2 隧洞周围各特征部位最终变形量表

图1 围岩位移变化云图

图2 监测面围岩受力变形图

再对溶洞四周围岩的变形特征进行分析。2 个监测断面溶洞四周各个特征位置的变形量最终计算值如表2 所示。综合分析表2及相关的监测变形特征图，能够看出溶洞四周的变形特征：溶洞四周围岩朝着溶洞内开始收敛，距离隧洞右侧较近位置水平向上的位移和溶洞顶部下降位移比较大，位移平均值约为6.40 mm，其余各部位的位移值比较低。各测点位移水平方向上的位移：底部＜顶部＜左侧＜右侧部；
下沉的位移：底部＜左侧部＜右侧部＜顶部，并且右侧部在水平方向上的位移约是左侧部的4～5倍。两个监测断面的位移进行对比能够发现，溶洞各特征位置的变形量会随着侧部溶洞规模的增加而有不同幅度的增加；
与隧洞右侧距离较短位置处在水平方向上的位移和溶洞顶部下降的位移量比较高，增加值约为4 mm。

①岩溶隧洞围岩的整个变形过程分为三个阶段，快速增长阶段，平缓增长阶段、基本保持不变阶段。隧洞围岩变形的释放率会随着开挖断面处溶洞的增加而增加。位移增量最大的部位是拱顶处，接着是边墙的水平位移量，最小的是腰拱处水平位移值。②隧洞及溶洞各测点位移变化符合上述规律。