引水隧洞富水洞段全断面超前帷幕注浆圈厚度优化研究

(辽宁泽龙水利实业有限责任公司，辽宁 新民 110300)

1 工程背景

轿顶子电站位是一座以防洪和发电为主，兼有灌溉和养殖等诸多水利功能的综合性小型水利工程，其坝址位于辽宁丹东宽甸太平哨镇轿顶子村境内，是北股河干流上规划建设的重要水利工程之一[1]。电站坝址以上集雨面积293km2，设计库容0.87亿m3。电站主要由混凝土重力坝、副坝、溢洪道、泄洪洞以及引水发电系统组成[2]。其中引水发电系统的引水隧洞设计于大坝左侧，全长1123m，为马蹄形断面设计。由于引水隧洞规划线路附近地下水埋藏较浅，且线路本身需要穿越DS3断层破碎带，因此，开挖施工难度较大。

在施工过程中，掌子面底部一直有小量涌水，当开挖到穿越断层破碎带的引2+23断面时，隧洞围岩质量明显偏差，破碎情况比较严重，并开始出现大量的涌水。现场勘查结果显示，该段围岩风化程度十分严重，且多为软岩，节理裂隙极为发育，原设计的支护强度难以承载围岩变形应力，如不采取新的施工加固措施，极易诱发施工风险。基于此，工程项目部通过会商，拟对该洞段进行全断面超前帷幕注浆[3]。在注浆加固施工中，注浆加固圈的厚度是影响工程效果的关键性因素，厚度过小难以发挥加固和堵水功能，过大不仅会造成工程资金的浪费，也不利于工期控制[4]。基于此，此次研究通过数值模拟的方式，对注浆加固圈的厚度进行优化设计，为工程建设的顺利进行提供支持。

2 有限元计算模型

2.1 模型软件

Midas NX(New experience of Geotechnical Analysis System)是一款专门针对岩土工程设计研究的大型有限元计算软件，支持岩土工程领域的渗流分析、应力分析以及应力—渗流耦合分析等多种分析模式，具有较高的应用性和专业性。该软件的主要优势是可以实现直观化的几何建模，提供了岩土单元、结构单元以及各种不同的弹簧和连接单元，可以使计算结果更加贴近工程受力状态。基于此，此次研究选择Midas NX软件，对研究洞段进行渗流—应力耦合分析，分析加固圈厚度对围岩和支护结构的影响。

2.2 模型的构建

对于岩土工程领域的数值模拟计算，一个合适的模型十分重要，可以有效减小误差和工作量[5]。研究洞段的埋深为29.8m，隧洞的跨度为4.4m，高度为4.6m。为了合理进行计算，选择隧洞中心线为Y轴，指向下游的方向为正方向，与Y轴垂直指向右岸的方向为X轴的正方向，竖直向上的方向为Z轴的正方向。考虑隧洞开挖以及地下水渗流范围的影响，模型在X轴方向的计算范围为10倍洞径；Z轴方向的计算范围为8倍洞径，Y轴方向为取50m；整个模型划分为22818个计算单元，15835个计算节点。有限元模型见图1。

图1 有限元模型示意图

2.3 边界条件与计算参数

在模拟计算过程中，围岩岩体的初始应力场仅考虑岩体的自重应力，将静水压力作为模型的孔隙水压力值，不考虑全风化岩体在开挖过程中的蠕变变形[6]。隧洞施工阶段共划分为10个开挖步，每个开挖步掘进距离为3.5m。模型采用等效连续介质模型以及莫尔-库仑弹塑性屈服准则[7]。模型的底部为固定边界条件，模型的顶部为自由边界条件。在隧洞开挖之前，假设模型的围岩为饱水状态，隧洞的衬砌渗流水压力为零[8]。

围岩力学参数主要由工程勘察资料提供，结合施工规范中的相关规定以及数值模拟计算中的参数折减需要，将注浆后的弹性模量提升30%、注浆区岩体密度提升10%，内摩擦角和黏聚力分别提升50%，渗透系数降低至原来的2%，其余参数保持不变。具体的模型计算参数见表1。

表1 模型材料计算参数

续表

2.4 计算方案

注浆圈厚度直接影响到注浆量的大小，但是注浆圈的厚度并非越大越好，在实际工程中应充分考虑加固后围岩的承载力、止水效果以及工程的经济性。结合工程实际和相关研究成果，研究中设计了4.0m、5.0m、6.0m、7.0m、8.0m五种不同的注浆圈厚度，其余参数保持不变。利用构建的有限元模型，对研究洞段的位移、塑性区、初支孔隙水压力以及涌水量进行模拟计算，根据计算结果的对比分析，获取最佳注浆圈厚度。

3 计算结果与分析

3.1 位移

利用构建的有限元模型对不同注浆圈厚度工况下的研究洞段位移变形进行模拟计算，从计算结果中提取出隧洞围岩关键部位的最终位移量，结果见表2。由表2中的结果可以看出，研究洞段各个关键部位的位移量均随着注浆圈厚度的增大而减小，说明注浆加固圈的厚度越大，对控制围岩位移越有利。从不同注浆加固圈厚度方案的计算结果来看，当注浆圈厚度小于6.0m时，增加注浆圈的厚度可以显著减小位移变形量，随着注浆圈厚度的进一步增加，在控制位移量方面的作用会明显减弱。结合位移变形计算结果和工程的经济性，注浆圈厚度应设计为6.0m。

表2 研究洞段最终位移计算结果

3.2 塑性区

利用构建的有限元模型，对不同注浆圈厚度工况下的围岩塑性区特征进行模拟计算，根据计算结果绘制出塑性区最大半径变化曲线(见图2)。由图2可知，塑性区最大半径随着注浆圈厚度的增加而减小。具体来看，当注浆圈厚度小于6.0m时，塑性区半径减小十分明显，当注浆圈厚度大于6.0m时，塑性区半径的减小幅度较为有限。

图2 塑性区最大半径随注浆圈厚度变化曲线

根据塑性区的分布特征计算出不同注浆圈厚度条件下贯通后每延米的塑性区体积，结果见表3。由表3中的结果可以看出，塑性区体积与塑性区最大延伸半径呈现出类似的变化特点，当注浆圈厚度小于6.0m时，随着注浆圈厚度的增加塑性区体积迅速减小，当注浆圈厚度大于6.0m时，随着注浆圈厚度的增加塑性区体积减小较为有限。结合塑性区计算结果和工程经济性，建议采用厚度为6.0m的注浆圈厚度。

表3 每延米塑性区体积计算结果

3.3 初支孔隙水压力

初支孔隙水压力可以表征初支结构以及注浆圈的止水效果。研究中对不同注浆圈厚度条件下的初支孔隙水压力进行模拟计算，结果见图3。由图3可以看出，随着注浆圈厚度的增加，初支外侧和内侧的孔隙水压力最大值均有比较明显的下降，但是变化幅度越来越小，特别是当注浆圈厚度大于6.0m时孔隙水压力值的减小幅度十分有限。

图3 初支孔隙水压力随注浆圈厚度变化曲线

3.4 涌水量

在研究过程中，利用构建的有限元模型，对不同注浆圈厚度下的涌水量进行计算，结果见表4。由表4中的计算结果可知，采用全断面帷幕注浆之后，涌水量的控制效果十分明显，即使采用厚度为3m的注浆圈厚度，也可以获得比较好的止水效果。在初支结构施作之前，研究洞段的环向涌水量占比较高，但是随着注浆圈后的不断增大，各阶段的涌水量均有明显的下降，但是降幅逐渐减小。

表4 涌水量计算结果

4 结 论

轿顶子电站施工过程中，隧洞围岩破碎严重，出现大量涌水。本文以发电引水隧洞为例，利用数值模拟的方式探讨了注浆加固圈厚度对工程效果的影响，获得如下结论：模拟结果显示，注浆圈厚度对围岩的位移场和渗流场均有比较明显的影响。

随着注浆圈厚度的增加，围岩的最大位移量、塑性区范围、初支孔隙水压力和涌水量均呈现出明显减小的变化特征，当注浆圈厚度大于6.0m时减小的幅度较为有限。综合考虑注浆加固工程效果和工程成本，建议采用厚度为6.0m的注浆圈厚度。