Khan Khwar電站豎井式廠房開挖過程仿真模擬

魯永華 任智鋒 顧小兵 郭西方

巴基斯坦Khan Khwar電站主廠房位于印度河與KaraKoram主干公路之間的小山包處。主廠房地面高程略高于廠區地面高程,為586.0m。主廠房長50.7 m,寬19.6m,總高度43.70m,其中地面以上高度為16.00m,地面以下深28.0m。主廠房內布置2臺混流式機組。2臺水輪發電機安裝在豎井內,豎井長28.25m,寬22m,兩端為半徑11m的圓弧段。場區及豎井開挖前、后地形見圖1。

圖1 豎井廠房廠址地形地質

1 工程地形、地質情況

電站場址位于印度河右岸坡腳地帶,為斜坡地形,坡度 15°～20°,并有一小山包,地面高程580～605m。電站廠房位于小山包處,廠區基巖裸露,出露地層為Besham組淡色花崗巖和花崗片麻巖,堅硬、致密,局部見有赤鐵礦蝕變帶,一般巖體完整性尚可。強風化深度18.5～19.2m,弱風化深度31.1～40.7 m。地基巖石堅硬致密,強度、承載力高,強風化帶深度大,開挖豎井式電站基礎基本可坐落在弱風化巖體上。

2 計算內容及目的

對電站廠區及廠房豎井的分步開挖過程進行仿真模擬:模擬初始地應力場,為后續開挖計算提供初始計算條件;了解各步開挖后巖體變位、應力、應變和巖體塑性區的分布及范圍;對各步開挖后圍巖的穩定進行分析評價;若巖石失穩或塑性區范圍過大需采取噴錨等工程措施進行處理時,模擬處理效果;根據分析成果為設計提供合理化的建議。

3 計算模型及計算方法

3.1 計算模型

根據廠區地形、地質特征和豎井式廠房及場區的開挖設計,建立三維實體模型,巖石材料按照強風化、弱風化、微風化地質分界線分為3層,分別賦予相應的物理、力學指標。計算模型在水平 x、y向長度均取橢圓洞室相應軸長的7倍;垂直方向上:豎井上部為實際地形特征,豎井底板以下的深度取豎井深度的3倍。模型底面固結,側面約束水平向位移。

為較真實的模擬廠房豎井開挖過程,巖石采用彈塑性非線性材料模擬,彈塑性材料采用Drunker-Prager(D-P)本構模型。計算單元采用六面8節點Solid45實體單元。Drucker-Prager材料數學本構模型采用的是相適應的流動法則,并且認為其具有理想塑性屈服特征。計算中采用各類巖石物理、力學指標如表1所示。

表1 巖石物理、力學指標

3.2 分步開挖過程仿真模擬

豎井開挖仿真模擬中,分析模型的質量分布狀態不斷變化,從而導致模型的剛度分布、邊界條件等也相應改變,模擬難度較大,分析中借助ANSYS有限元分析系統提供的單元生死技術(Element Birth and Death),實現廠房場區及豎井分步開挖、襯砌的仿真模擬。

依據場區及豎井開挖的施工順序,分以下計算步驟計算。

(1)對計算模型加載重力場作用,進行開挖前巖體初始應力場的模擬。

(2)對高程586.0m以上的廠區進行開挖。

(3)開挖高程586.0～581.0m間豎井。

(4)開挖高程581.0～576.0m間豎井。

(5)開挖高程576.0～571.0m間豎井。

(6)開挖高程571.0～566.0m間豎井。

(7)開挖高程566.0～561.0m間豎井。

(8)開挖高程561.0～558.3 m間豎井,豎井開挖完成。

在(2)～(8)計算步中,如發現局部巖石失穩或塑性區開展過大,記錄其位置,建議設計對其進行噴錨處理,并模擬處理后效果。

4 一些問題的處理方法

4.1 地應力問題

巖體中的初始地應力由多種因素產生,工程巖體中地應力主要來源于地質構造和地球重力場的作用,大小主要取決于上覆巖層的重量、構造作用的類型、強度和持續時期的長短等。根據部分工程實測資料的分析,初始地應力常具有以下規律。

(1)一般情況下巖體中的初始應力場多是三向不等壓的空間應力場,最大水平主應力大于垂直應力,最小水平主應力的數值則變化較大。

(2)初始應力的大小、方向與地質構造有著密切關系。一般位于活動斷層的拐彎或交叉處的斷裂構造會產生較大的應力集中,其它部位的斷裂構造反而引起應力釋放。

(3)堅硬完整的巖體內可積聚大量應變能,形成較高的初始應力,軟弱破碎巖體中積聚的應變能不大,初始應力較低。脆性、高強度的巖體中往往積聚較大的初始應力。

(4)巖體上覆巖層的重量是形成巖體初始應力的基本因素之一,一般認為,巖體垂直初始應力基本上與上覆巖體的重量(γ H)相等。

(5)地形、地貌對初始應力有一定的影響,地形被切割后必然引起應力重分布。

Khan Khwar電站豎井式廠房位于一小山包處,山包位于印度河右岸坡腳地帶,在KKH公路與小山包之間有一深槽,山包另外兩側地勢較為平緩?？紤]場區的地形、地質情況,結合地應力以上分布特征可推測電站廠址部位構造應力不大,初始地應力以自重應力場為主,計算中只考慮重力場引起的地應力。

4.2 加固措施的模擬

廠房豎井的開挖模擬依據實際施工過程分步進行,在各步計算中,若豎井圍巖失穩或出現較大塑性區(巖石失穩表現為計算不收斂),可采用超前小導管注漿、噴錨等措施對其進行加固處理。錨桿的主要作用并非其自身強度對整體剛度矩陣的貢獻,因為在整個體系中,錨桿剛度和周圍巖體的剛度相比是微不足道的,噴錨的的實際作用是在施工過程中及時加固巖體、限制塑性區發展,維持巖體的連續性和完整性,從而能夠很好地起到自撐作用。若計算中結果顯示需對豎井圍巖進行噴錨等工程措施處理,則采用提高處理部位巖體 C、Φ值的方法模擬計算。根據國內外研究成果及現場經驗,錨固部位圍巖參數中的C、Φ值能提高20%～30%。

5 計算成果及分析

5.1 初始地應場結果及分析

依據前面假設,對模型加載重力場作用得到初始地應力場,開挖前豎井中心線上各點三向應力結果見圖2。

圖2 開挖前豎井中心線上各點三向應力

由圖2得出以下結論。

(1)大部分區域,尤其非巖層交界面,巖體的初始應力符合自重應力場的分布規律,各向應力均為壓應力,在靠近地表處的壓應力較小,隨著深度的增加,壓應力逐漸增大,豎向壓應力與Sz=γ H的規律大致相符。

(2)同一高程面上各點壓應力分布規律基本上反映了上部地形、巖性特征,上部地勢較高,巖石容重較大的部位,壓應力較大。

(3)由豎井中心線上各點三向應力對比關系可以看出,側壓力系數K0基本與經驗關系式K0=υ/(1-υ)一致(υ為巖石泊松比),水平方向上壓應力Sx略大于Sy,主要為場區地形特點所致。

(4)在圖2中Sx、Sy出現一近似水平段,這是因在此高程范圍內為巖層分界線,巖層走勢起伏、巖性變化所致。

5.2 豎井開挖后成果及分析

5.2.1 井壁位移

豎井開挖后井底位移見圖3,井壁位移見圖4。

圖3 豎井開挖后井底豎向位移(單位:mm,豎直向上為+)

圖4 豎井開挖后井壁徑向位移(單位:mm,向內收斂為-)

由計算結果可以看出。

(1)由于豎井及場區開挖的卸載作用,井壁、井底均發生不同程度的向上的豎向位移,以井底平面為大,井底中部的豎向位移為1.00mm。

(2)豎井開挖后,井壁發生向內的徑向位移,豎井下部的徑向位移較小,中部和上部較大,這主要是因為下部井壁壓重較大、巖石工程性能指標較優所致。總的看來,徑向位移較小(最大位移0.12mm),說明設計選用豎井斷面形式較優,成拱效應較明顯。

(3)井壁的徑向位移在各高程斷面上分布不均勻,這主要是由于地形高低起伏、巖層變化、豎井頂部各部位開挖卸載程度不同造成的。

5.2.2 井壁應力

豎井開挖后井壁環向、豎向應力分別見圖5、6。

圖5 豎井開挖后井壁環向應力圖(單位:105Pa,-為受壓)

由計算結果可以看出。

(1)井壁各高程環向、豎向應力均為壓應力,無拉應力。

圖6 豎井開挖后井壁豎向應力圖(單位:105Pa,-為受壓)

(2)井壁的環向、豎向應力均隨深度的增加而增大,最大值出現在井底高程,分別為1.01mPa和1.71mPa,小于巖石的允許抗壓強度3～5MPa。

(3)井壁的豎向、徑向應力在各高程斷面上分布不均勻,主要是地形高低起伏、巖層變化、豎井頂部各部位開挖卸載程度不同造成的。

5.2.3 井壁塑性區

豎井開挖后井壁巖體塑性應變等值線見圖7,高程583.0m平面塑性應變等值線見圖8。

由圖7、8可知:塑性區主要出現在豎井上部高程580.0～586.0m之間,平面上塑性區在靠印度河位置較發展,距井內壁約6.0m,井壁最大塑性應變6×10-5,綜合考慮豎井周圍塑性區的分布及塑性應變的大小,豎井圍巖穩定。

圖7 井壁巖體塑性應變等值線圖

圖8 高程583.0m平面塑性應變等值線圖

6 結論及建議

從計算成果看,場區開挖及廠房豎井各步開挖過程中,圍巖中未出現較大的拉應力及塑性開展區,總體而言,豎井圍巖是穩定的。井壁處巖石開挖時建議采用預裂爆破,以減小爆破的影響范圍和提高井壁的平整度。本計算根據強風化、弱風化、微風化地層分界線將巖石分為3種彈塑性材料,每種巖石均視為均一、各向同性,計算結果亦是在此基礎上取得,考慮到地質情況的復雜性和多變性,施工過程中應做好監測工作,以便根據現場實際情況,及時采用相應的處理措施。