云南某水電站地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析

高 凱，王林維，郭建宏

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065 )

文章編號(hào)：1006—2610(2015)05—0025—05

云南某水電站地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析

高 凱，王林維，郭建宏

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065 )

基于云南某水電站地下洞室的地質(zhì)勘察及設(shè)計(jì)資料，通過ANSYS建立其三維地質(zhì)模型，經(jīng)FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算，系統(tǒng)研究了該水電站地下洞室開挖及支護(hù)后圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和塑性破壞區(qū)的變化特征，對(duì)其圍巖穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)，為洞室設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。

地下洞室；圍巖穩(wěn)定性；ANSYS；FLAC3D

0 前 言

隨著水電開發(fā)技術(shù)的日益成熟，水電站地下洞室的規(guī)模也越來越大，其洞室高邊墻及洞室之間圍巖的穩(wěn)定性成為工程建中設(shè)計(jì)方案成敗的關(guān)鍵因素。而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬被廣泛地應(yīng)用在地下洞室群施工期與運(yùn)營期的穩(wěn)定性分析上。采用三維數(shù)值模擬方法評(píng)價(jià)地下洞室群的圍巖穩(wěn)定性[1-4]為本文研究的核心內(nèi)容。

FLAC3D是美國Itasca公司開發(fā)的三維顯式有限差分法程序，它可以模擬巖土或其它材料的三維力學(xué)行為。FLAC3D軟件的基本原理是拉格朗日差分法，它是一種利用拖帶坐標(biāo)系分析大變形問題的數(shù)值方法，并利用差分格式按時(shí)步積分求解，適合于解決巖土工程中經(jīng)常遇到的大變形問題，是一種理想的巖土工程計(jì)算軟件。本文將通過該軟件計(jì)算分析，重點(diǎn)研究洞室開挖過程中及支護(hù)后圍巖的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)特征，評(píng)價(jià)洞室圍巖的穩(wěn)定性，探討其潛在破壞情況。

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概況

云南某水電站為瀾滄江上游河段規(guī)劃方案的第二級(jí)電站，初擬水庫正常蓄水位1 906.00 m，相應(yīng)庫容2.84億m3，電站裝機(jī)容量990 MW。廠房頂拱高程1 855.15 m，垂直方向最小埋深約129 m，最大埋深約331 m，地下廠房設(shè)計(jì)長度183 m，其中安裝間51 m，主廠房117 m，副廠房15 m，跨度26 m；主變室頂拱高程1 851.00 m，最小埋深157 m，最大埋深272 m，主變室設(shè)計(jì)總長143.7 m，最大高度34.3 m，最大開挖跨度18 m。尾水調(diào)壓室平行布置在主變室下游側(cè)，與主變室凈間距為35 m。尾調(diào)開挖尺寸98.5 m×20 m×65.9 m(長×寬×高)，頂拱高程1 850.30 m。調(diào)壓室下游分別接1、2號(hào)尾水洞。

1.2 地質(zhì)條件

地下洞室布置區(qū)2 006.00 m高程以上基巖裸露，巖體傾倒變形，自然坡度40°～56°，呈“凹”形坡；該區(qū)域巖性為砂質(zhì)、泥質(zhì)板巖夾薄層～中厚層狀變質(zhì)細(xì)砂巖，層狀、板狀構(gòu)造，為較堅(jiān)硬巖～堅(jiān)硬巖，層間結(jié)合緊密，屬微風(fēng)化～新鮮巖體，地下洞室圍巖中板巖約占54%，變質(zhì)石英砂巖約占46%，巖層產(chǎn)狀NW355°NE∠85°。巖層近直立，巖層走向與邊坡大角度相交，基本上為斜向谷。

2 模型建立

本文計(jì)算區(qū)域邊界按照廠區(qū)的地形，并滿足一定的邊界效應(yīng)要求，在平面上(X、Y)取400 m×400 m的區(qū)域，高程(Z)范圍為1 700.00～2 240.00 m，區(qū)域中包含了主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、尾水洞、母線洞等主要地下洞室單元，也包括了當(dāng)前地質(zhì)工作揭示出的具有一定影響規(guī)模的F1斷層及其影響帶。

圖1 洞室模型圖

3 計(jì)算分析

本文基于該水電站地質(zhì)勘察資料，利用ANSYS軟件建立山體及洞室三維地質(zhì)實(shí)體模型，借助ANSYS和FLAC3D的接口程序，將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為FLAC3D可讀取的計(jì)算模型，并通過FLAC3D對(duì)其進(jìn)行彈塑性分析和強(qiáng)度折減計(jì)算，根據(jù)圍巖位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，評(píng)價(jià)洞室開挖及支護(hù)后圍巖的穩(wěn)定性，探討其潛在破壞情況。

圖2 實(shí)體模型圖

3.1 計(jì)算模型

經(jīng)過接口程序?qū)⒛Ｐ娃D(zhuǎn)換后，廠區(qū)模型共由1 337 323個(gè)單元組和226 978個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成(圖3)，至此，實(shí)體模型已成功導(dǎo)入FLAC3D，并可以進(jìn)行三維有限差分計(jì)算。

圖3 FLAC3D模型圖

3.2 邊界條件及物理力學(xué)參數(shù)

將外部山體上表面設(shè)為自由邊界，模型底部設(shè)為固定約束邊界，四周為單向邊界。計(jì)算使用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 廠區(qū)洞室圍巖巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

3.3 計(jì)算方法及步驟

計(jì)算時(shí)，按下述步驟進(jìn)行：① 選擇彈性本構(gòu)模型，按前述約束條件，只考慮重力，進(jìn)行彈性求解，計(jì)算至平衡后對(duì)位移場(chǎng)和速度場(chǎng)清零，生成初始應(yīng)力場(chǎng)；② 在此基礎(chǔ)上，對(duì)廠區(qū)地下洞室開挖階段，賦表1參數(shù)值，選擇Mohr-Coulomb模型進(jìn)行彈塑性求解，直至系統(tǒng)達(dá)到平衡；③ 對(duì)洞室圍巖進(jìn)行支護(hù)，重新進(jìn)行彈塑性求解，直至系統(tǒng)達(dá)到平衡。

將FLAC3D計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Tecplot，通過其強(qiáng)大的后處理功能，繪制洞室典型剖面(Y=-80 m)的位移和最大、最小主應(yīng)力等值線圖，綜合分析廠區(qū)洞室開挖和支護(hù)后圍巖位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 洞室開挖計(jì)算結(jié)果分析

4.1.1 位移和變形分析

由典型剖面位移矢量圖(圖4)可知，隨著洞室的開挖，總體變形趨勢(shì)表現(xiàn)為向臨空面方向移動(dòng)，頂拱下沉，底板回彈，邊墻向洞室內(nèi)收斂，且由于F1斷層的存在，使得F1斷層在開挖面出露處的變形相對(duì)較大；與之對(duì)應(yīng)，位移等值線圖(圖5)表明，至開挖完成時(shí)，圍巖變形較大區(qū)域位于主廠房的上游邊墻F1斷層穿過處，總體表現(xiàn)為頂拱和邊墻的位移變形，最大值約為1.0 m，底板變形相對(duì)較小。

圖4 剖面位移矢量圖

4.1.2 應(yīng)力分析

地下廠房洞室群開挖完成后，洞周圍巖的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了重新分布，地應(yīng)力的徑向應(yīng)力不斷釋放，切向應(yīng)力不斷增長，最大主應(yīng)力(圖6)變化范圍為-15～-1 MPa(負(fù)值為壓應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力)，受構(gòu)造應(yīng)力影響，廠區(qū)最大主應(yīng)力沿著洞周的開挖輪廓切向變化，且圍巖應(yīng)力從洞室邊墻向圍巖內(nèi)部逐漸遞減至圍巖的初始應(yīng)力值。廠區(qū)最小主應(yīng)力(圖7)重分布規(guī)律與最大主應(yīng)力類似，二者均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。主變室頂拱及受F1斷層影響區(qū)域存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，主廠房和尾調(diào)室高邊墻主要表現(xiàn)為應(yīng)力松弛，圍巖應(yīng)力在-2～0 MPa之間，各洞室交接部位應(yīng)力松弛也較為明顯，但均未出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力區(qū)。

圖5 剖面位移等值線圖

圖6 最大主應(yīng)力等值線圖

4.1.3 塑性區(qū)分析

地下洞室群開挖完成后，圍巖的塑性變形區(qū)(圖8)主要出現(xiàn)在洞室的上、下游邊墻及頂拱，且在廠房的上游側(cè)較為明顯，受斷層的控制，主要以剪切破壞為主；同樣，由塑性變形等值線圖(圖9)可知，主廠房上游邊墻、主變室底部及尾調(diào)室下游邊墻存在較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大影響深度可達(dá)30 m(水平距邊墻)。

圖7 最小主應(yīng)力等值線圖

圖8 塑性變形區(qū)域圖

4.2 錨桿支護(hù)后的效果

為了保證洞室圍巖開挖后的安全穩(wěn)定，在計(jì)算中采用FLAC3D軟件提供的cable和shell單元來模擬錨桿或錨索對(duì)洞室的支護(hù)，通過采取支護(hù)措施來對(duì)洞室周邊的圍巖進(jìn)行加固處理，加強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性。

經(jīng)計(jì)算，采取支護(hù)措施之后(圖10)，洞室周邊圍巖變形明顯減小，塑性區(qū)分布也較支護(hù)前減少，洞室的整體穩(wěn)定性有所加強(qiáng)。

圖9 塑性變形等值線圖

圖10 錨桿支護(hù)后塑性區(qū)圖

5 結(jié) 語

(1) 大型水電站地下洞室群具有復(fù)雜的地質(zhì)條件和布局，有必要對(duì)其進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析。

(2) ANSYS具有強(qiáng)大的前處理功能，用ANSYS建模方便快捷，但它不能解決大變形問題，而FLAC3D彌補(bǔ)了ANSYS的不足。地下洞室開挖屬于復(fù)雜的大變形問題，本文結(jié)合利用兩款軟件的優(yōu)點(diǎn)，通過ANSYS建立模型并導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行圍巖穩(wěn)定計(jì)算。

(3) 廠區(qū)洞室群在開挖后，洞室的圍巖會(huì)出現(xiàn)一定的變形，拱頂下沉，底板回彈，邊墻向洞室內(nèi)收斂。洞室開挖后最危險(xiǎn)區(qū)域位于廠房與F1斷層相交處。

(4) 大的斷層是影響地下洞室群圍巖的重要因素，在與斷層相交處均出現(xiàn)較大的位移、應(yīng)力集中現(xiàn)象以及塑性區(qū)。因此施工開挖時(shí)應(yīng)加強(qiáng)這些部位的監(jiān)測(cè)，并及時(shí)支護(hù)。

(5) 洞室開挖后廠區(qū)圍巖出現(xiàn)較多塑性變形區(qū)，經(jīng)過模擬增設(shè)錨桿支護(hù)后塑性區(qū)域明顯減少。

(6) 綜上，洞室圍巖變形、應(yīng)力、塑性區(qū)及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均在合理的范圍內(nèi)，說明洞室開挖支護(hù)基本能夠滿足圍巖的穩(wěn)定性要求。表明數(shù)值模擬能夠較好地反映洞室開挖支護(hù)過程中的應(yīng)力應(yīng)變問題，為設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)提供了依據(jù)。

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Analysis on Stability of Surrounding Rock of Underground Cavern

GAO Kai, WANG Lin-wei, GUO Jian-hong

(POWERCHINA Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

Based on data of geological investigation and design of the underground cavern of one hydropower project in Yunnan province, its 3D geological model is built with ANSYS. By the value simulation calculation of FLAC3D, the change characteristics of stress field, strain field and plastic failure zone of the surrounding rock of the underground cavern during excavation and after support are studied systematically. Meanwhile, the stability of the surrounding rock is assessed. This study provides the cavern design with scientific basis and technical guidance. Key words:underground cavern; stability of surrounding rock; ANSYS; FLAC3D

2015-07-29

高凱(1987- )，男，山東省濱州市人，助理工程師，從事工程地質(zhì)、勘察設(shè)計(jì)工作.

TU457

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.007