深埋大型地下洞室群圍巖穩定性三維數值模擬

李　睿，張　蕊，徐云海，程　偉

(1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京210098；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明650051)

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深埋大型地下洞室群圍巖穩定性三維數值模擬

李睿1，張蕊2，徐云海2，程偉2

(1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京210098；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明650051)

深埋大型地下洞室群開挖引起圍巖應力重分布，評價各個階段(初始和開挖狀態)洞室圍巖應力及位移分布特征具有較大的工程意義。以GS水電站右岸深埋大型地下廠房洞室群為工程背景，基于FLAC3D平臺建立了三維地質模型，研究了深埋大型地下廠房的初始應力特征以及在施工開挖過程中洞室圍巖的應力及變形特征，并對深埋大型洞室圍巖的穩定性進行了綜合評價。

深埋地下洞室群；圍巖；穩定性分析；應力場；變形場

1　工程概況

GS水電站是一座以發電為主要開發任務的大型水電工程，壩頂高程2 287 m，最大壩高240 m，正常蓄水位高程2 267 m，壅水高度188 m，總庫容17.98億m3，總裝機容量1 900 MW。地下廠房洞室群主要為主廠房、主變室和尾水調壓室，均分布在右岸玄武巖層中，巖體較堅硬。研究區洞室群上覆巖體厚度大，最大埋深約460 m，最小約300 m，平均約400 m，屬深埋地下洞室群[1]。右岸地形陡峭，坡度一般40°～50°，且發育多條較大的沖溝，單斜構造。研究區的地表未揭露Ⅱ級及以上斷層，Ⅲ級斷層不發育，Ⅳ級斷層、擠壓面及Ⅴ級結構面(節理)發育。地下廠房洞室群出口相對集中，埋深大，規模大，洞室密集，在開挖時面臨著圍巖穩定性的問題[2- 3]。

本文對GS水電站右岸深埋地下洞室群的圍巖穩定性進行了系統研究，消除了深埋洞室穩定的潛在危害，對保證地下引水洞室群的施工安全、圍巖的長期穩定以及優化設計具有實際意義[4]。

2　數值模型及計算參數

2.1數值模型建立

深埋地下廠房洞室群地區主要巖性為玄武巖，以Ⅲ類巖體為主，地下廠房部位的上層地表為起伏不平的山體。為模擬研究區地形的三維形態，根據山體工程地質測繪成果，通過計算機編程，在FLAC3D軟件平臺下構建了體現地形和主廠房、主變室、尾水調壓室等建筑物布置格局的地質體幾何模型。

本次建模采用25 m間距的平面網格，垂向高差5等分，對GS電站深埋廠房洞室群進行建模。模型包括2個部分：一部分為廠房頂部以上的地質體(高程2 130～2 615 m)，另一部分為廠房所在部位(高程1 913～2 130 m)。深埋地下洞室群數值模擬模型長度和寬度分別為575 m和600 m。其中，主廠房軸向的開挖范圍為200～400 m，主變室為220～380 m，尾水調壓室分別為200～275 m和300～375 m。最終，將2部分模型合在一起得到研究區整體的三維數值模型(見圖1)。模型共劃分了258 936個單元，共有268 943個節點。為取得較好的模擬效果并保證可操作性，在建模過程中，單元類型、網格尺寸根據模型大小和計算精度協同確定[5]。

圖1　三維數值模型

2.2計算參數選取

本文采用的破壞判據準則為莫爾-庫侖準則[6]。本次計算主要考慮地表山體部分巖體和地下廠房圍巖部分巖體。地表巖體包括強風化～弱風化的板砂巖互層巖體和玄武巖巖體，而深埋廠房洞室群圍巖巖體較為均一，主要為弱風化的玄武巖。2種類型巖體物理力學參數見表1。

表1巖體物理力學參數

巖石類別容重/kN·m-3彈性模量/104MPa泊松比粘聚力/MPa摩擦角/(°)圍巖28.48.20.223.728山體20.62.50.291.921

3　數值計算結果分析

3.1初始應力場特征

初始應力場特征見圖2。從圖2可知，廠房區的最大主應力在15.0～22.5 MPa之間，中間主應力在6.0～12.0 MPa之間，最小主應力在1～3 MPa之間。此外，在實測高程2 093 m位置，最大主應力的數值模擬結果為17.5～20 MPa，中間主應力為6.0～8.0 MPa，最小主應力為1.0～2.0 MPa。GS電站廠房部位圍巖垂直應力約6～12 MPa，垂直廠房洞室軸向的水平應力約1～3 MPa，平行廠房洞室軸向的水平應力較大，約17.5～22.5 MPa，施工中應需高度重視。

從GS電站地下廠房區地應力實測結果可知，廠房部位(高程2 093 m)最大主應力為17.6～20.8 MPa，均為壓應力，為中等偏高地應力；最小主應力相對較小，為1.2～6.6 MPa，中間主應力為3.3～10.2 MPa。數值模擬結果與實測結果接近。

圖2　主廠房部位初始應力(單位：MPa)

3.2開挖后圍巖應力場特征

從電站主廠房中部垂直洞軸向(Y=240 m)切片分析開挖后圍巖應力場。應力云圖見圖3。從圖3可知，洞室群開挖后，圍巖應力方向發生了明顯的偏轉，其影響范圍在洞室群最外邊墻外60～90 m，構成了二次應力場的分布區域。在二次應力場中，總體表現為：垂直于洞室軸向的水平應力小于垂直應力，且垂直應力為垂直于洞室軸向的水平應力的3倍左右；最大主應力與臨空面近于平行(邊墻部位)，最小主應力與臨空面近于垂直(邊墻部位)，各主應力的量值也發生了較大的改變。

圖3　垂直洞室軸向(Y=240 m)應力云圖(單位：MPa)

3.2.1主廠房

在主廠房的頂拱、底板及上下游邊墻的中部，由于受到主廠房開挖卸荷的影響，出現了應力降低現象，并且還產生了拉張應力，最大為8 MPa；在邊墻與頂拱、底板的交線處產生了應力集中現象，最大為13 MPa。在主廠房的上下游邊墻的中部、頂拱及底板一定范圍內產生了應力集中現象，最大為4.2 MPa。在主廠房頂拱兩側及邊墻與頂拱、底板的交線處出現了較大的剪切應力，最大值為4.2 MPa，且由于受到尾水調壓室開挖的影響，上游邊墻剪應力較下游邊墻小。

主廠房開挖完成后，3大主應力均由頂拱、底板與各邊墻的交線的應力集中帶與各臨空面的應力降低區相間構成。在洞室圍巖周圍，應力的集中區出現在頂拱及底板一定范圍內，最大主應力最大值約22.5 MPa，中間主應力最大值約14.0 MPa，最小主應力最大值約3.0 MPa；應力降低區主要位于洞室上下游邊墻中部。其中，上游邊墻的中部量值分布范圍較大。此外，在主廠房的中部還出現了拉張應力，最大值約1.1 MPa。

3.2.2主變室

主變室的垂直應力為13.0 MPa、水平應力為4.2 MPa、剪應力為3.6 MPa、最大主應力為20 MPa、中間主應力為2 MPa、最小主應力為2 MPa。總體分布規律與主廠房有明顯的差別，主要表現在主變室的頂拱和底板部位出現了應力降低現象，在上下游邊墻部位出現了應力集中現象，這是因為受開挖群洞效應的影響所致。

3.2.3尾水調壓室

尾水調壓室的總體分布特征與主廠房類似，由拱角、邊墻腳的應力集中區以及邊墻中部與頂拱底板淺部的應力降低區組成。整個洞室最大垂直應力為13.0 MPa、水平應力為4.2 MPa、最大剪應力為4.2 MPa、最大主應力為22.5 MPa、中間主應力為14.0 MPa、最小主應力為3.0 MPa。此外，在尾調室的隔墩頂部與邊墻的接合部位存在應力集中區，隔墩本身應力值也有變化，表現為垂直向下量值逐漸增大的特征。

3.3開挖后圍巖變形特征

開挖后圍巖變形特征的分析方法同開挖應力場，即從電站廠房中部垂直洞軸向(Y=240 m)進行切片分析。開挖后圍巖變形特征見圖4。從圖4可知，整個洞室群開挖后，圍巖向臨空面方向發生回彈變形，總體上表現出整個工程體系外圍臨空面位移較小，而內部臨空面，如主廠房、主變室與尾調室之間隔墻臨空面等位移較大；地下洞室垂直方向的臨空面位移較大，表現為頂拱下落和底板拱起；垂直地下洞室軸方向的臨空面位移較小，表現為邊墻水平向內變形。在各臨空面中，圍巖的位移一般又以頂拱和底板中部最大，向四周逐步減小。

3.3.1主廠房

在主廠房中，位移總量最大的是底板(產生底鼓)，約88 mm。主要是因為底板巖體埋深較大，在開挖過程中受地應力的影響也相對較大，變形也相對較大；其次是頂拱，最大值約64 mm；再次是上游邊墻(40 mm)和下游邊墻(48 mm)，主要由垂直洞軸線方向的水平位移組成，且下游邊墻的位移明顯大于上游邊墻，主要是受群洞效應作用所致。上下游邊墻的位移基本相同，且較洞室頂拱和底板的位移小。造成位移不同的原因主要源于水平方向的位移分量，即與初始應力場方向分布有關。分析表明，主廠房的變形主要與初始地應力方向、上覆荷載和群洞效應等因素相關。

圖4　垂直洞室軸向(Y=240 m)位移(單位：mm)

3.3.2主變室

與主廠房變形相似，主變室變形同樣受初始地應力方向、上覆荷載和群洞效應等因素的控制。由于洞室尺寸、形態、工程位置與主廠房的不同，其各臨空面的最大位移出現了一些新的變化。主變室最大位移為88 mm，位于主變室底板部位；其次是頂拱中心，最大位移為64 mm；再次是上下游邊墻，且位移基本相同，均為20 mm，但方向相反，這是因為主變室受群洞效應作用產生應力集中所致。

3.3.3尾調室

開挖后尾調室變形場特征與主廠房相近，但各工程部位的位移量值有所提高，且下游邊墻的總位移量也相對增大。各部位的位移依次為底板中部88 mm、下游邊墻40 mm、頂拱中部64 mm、上游邊墻40 mm。此外，尾調室上下游邊墻在水平方向的位移有所差異，造成這種差異的原因同樣與初始地應力方向、上覆荷載和群洞效應等因素相關。

4　結　語

本文基于GS水電站地下廠房初始應力場、開挖后圍巖應力場及圍巖變形特征的FLAC3D計算結果，得出以下結論：

(1)初始應力特征表現為垂直廠房洞室群軸向的水平應力(XX)最小，平行廠房洞室群軸向的水平應力(YY)最大。在數值上，與地下廠房區地應力實測結果相近，數值模擬結果較為可靠。

(2)主廠房、尾水調壓室圍巖開挖后，應力在拱角、邊墻腳處出現應力集中，而各臨空面出現應力降低區；主變室圍巖開挖后，在主變室的頂拱和底板部位出現了應力降低現象，而在上下游邊墻部位出現了應力集中現象。對應力集中區域，在施工過程中需要高度重視。

(3)開挖后，3處洞室圍巖向臨空面發生位移，總體變形特征表現為底板中部位置位移最大，頂拱中心位置次之，上下游邊墻位置位移最小。

[1]于學馥， 鄭穎人， 劉懷恒， 等. 地下工程圍巖穩定分析[M]. 北京： 煤炭工業出版社， 1989．

[2]王明華， 白云. 層狀巖體三維可視化構模與數值模擬的集成研究[J]. 巖土力學， 2005， 26(7)： 1123- 1126．

[3]許傳華， 任青文， 鄭治， 等. 索風營水電站地下洞室巖體力學參數的位移反分析[J]. 巖土工程學報， 2006， 28(11)： 1981- 1985．

[4]李正剛. 二灘水電站地下廠房系統洞室圍巖破壞性研究[J]. 水力發電， 1997(8)： 50- 53．

[5]武世婷， 周廣峰， 張建海， 等. 西部三大水電工程地下廠房研究比較[J]. 水利水電科技進展， 2009， 29(1)： 61- 65．

[6]張蕊， 姜振泉， 于宗仁， 等. 煤層底板采動破壞特征綜合測試及數值模擬研究[J]. 采礦安全工程學報， 2013， 30(4)： 531- 537．

(責任編輯楊健)

3-D Numerical Modeling for Surrounding Rock Stability of Deep Buried Large Underground Caverns

LI Rui1, ZHANG Rui2, XU Yunhai2, CHENG Wei2

(1. School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China;2. PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China)

The excavation of deep buried large underground cavern group will lead to the redistribution of stress in surrounding rock. Therefore, the study on stress distribution characteristics of surrounding rock at each stage (initial state and excavation phases) and the rock mass displacement under the change of stress conditions are of great engineering significance. Based on FLAC3D platform, a 3-D geological model is established for the stability analysis of deep buried underground powerhouse cavern group on the right bank of GS Hydropower Station. The initial stress characteristics of deep buried underground powerhouse and the stress and deformation characteristics of surrounding rock in excavation processes are analyzed respectively. Furthermore, the stability of surrounding rock of underground powerhouse is comprehensively evaluated．

deep buried cavern group; surrounding rock; stability analysis; stress field; deformation field

2015- 12- 11

江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目(SJZZ15- 0068)；中國博士后科學基金面上資助項目(2015M572509)

李睿(1994—)，男，安徽含山人，碩士研究生，主要從事地下洞室圍巖穩定研究；張蕊(通訊作者)．

TV314

A

0559- 9342(2016)05- 0016- 04