基于強度折減法對某水電站主廠房洞室整體穩定性分析

錢大江　張杰　范加勝

【摘 要】針對某建成水電站的主廠房在運行過程中出現的一些穩定性問題，基于強度折減理論，借助有限差分元軟件，對該水電站主廠房進行穩定性模擬計算分析，探究斷層對于水電站主廠房洞室穩定影響，揭示了該水電站主廠房穩定性規律，為水電站主廠房洞室的整體穩定性問題提供參考。

【關鍵詞】水電站主廠房洞室；強度折減理論；有限差分元

【Abstract】According to some stability problems of the main building of a power station built in appeared in the process of operation， the strength reduction theory based on finite difference element software of the hydropower station powerhouse stability simulation analysis，the influence of fault on the stability of the main powerhouse cavern of hydropower station is explored， and the stability rule of the main powerhouse is revealed， which provides a reference for the overall stability of the cavern group of hydropower station.

【Key words】Main powerhouse of hydropower station；Strength reduction theory；Finite difference element

1. 引言

（1）水電站地下廠房洞室群規模數量龐大，且結構布置較為復雜。洞室巖體節理裂隙的復雜性，也使得水電站地下廠房洞室工程在施工過程及運營過程中的安全性能存在一定的可變性風險。并且水電站廠房經過一段時間的運行之后，支護及設施強度均有降低，出現老化現象并伴有時效性的大變形，嚴重影響到水電站主廠房洞室的整體穩定性及施工安全[1-2]。

（2）本研究以某水電站主廠房洞室為分析內容，并運用巖土工程數值分析模擬軟件建立有限差分模型，基于強度折減理論，通過軟件數值模擬計算得出，節理裂隙對于水電站主廠房洞室的整體穩定性影響。

2. 三維模型的建立

（1）本次研究分析選取某水電站主廠房洞室部分為分析計算對象進行模型建立，水電站主廠房尺寸為長×寬×高（180m×24.5m×53.675m）。

（2）水電站主廠房洞室地下巖體性質多為混合花崗巖，部分地區存在弱風化及微風化性質的節理裂隙斷層，均需概化在數值模型當中。水電站廠房洞室頂拱位置為140.28m，洞室底板程位置為86.70m。

（3）水電站主廠房洞室工程區域巖體性質按照III類巖石參數進行模擬分析，并且在分析研究區域中存在多個斷層穿過廠房洞室。

（4）斷層發育包括f9、f17、f18、f25、f37、fc1等6條，其中貫穿整個水電站廠房計算模型的斷層結構包括f17、f25、f37。選取的水電站主廠房洞室群模擬分析計算網格模型如下圖1。

（5）本次模擬分析研究中主要考慮到不同形式的斷層對于洞室強度及穩定性的影響，計算斷層的信息如表1所示。

（6）本著計算模型與實際情況相一致的原則，建立以水電站主廠房為主的三維地質模型。計算模型共有583472個單元，如圖2所示。

3. 參數的選取

有限元計算模型采用摩爾庫倫本構模型，水電站廠房洞室巖體物理力學參數見表2所示。模型的邊界條件選取為x、z軸為固定邊界條件，左右兩側施加y方向下邊界的約束。有限元計算收斂值設定為1e-4，計算中分為20000步收斂（圍巖參數見表2）。

4. 強度折減法數值模擬

4.1 水電站主廠房巖石地層在初始地應力作用的影響下，當進行水電站主廠房開挖作業后，由于該地層中存在斷層的作用，使得整個水電站廠房洞室群應力進行重新分布，如圖3、圖4所示。

4.2 由圖3及圖4可以看出，水電站主廠房頂拱部位及底板部位均出現應力集中現象，應力值約為15Mpa，并且位于主廠房洞室群的交叉區域內應力集中現象更加突出，應力大小約35Mpa。

4.3 為了深入探究裂隙斷層對水電站主廠房洞室的整體穩定性，將應用強度折減理論。所謂強度折減法即為節理斷層的抗剪強度參數C及，根據設置特定的強度折減系數（Fs），根據方程（1）和（2）得到新的參數值（CF 和 F）進行模擬計算。

4.4 應用強度折減法，對計算模型中斷層的內聚力及內摩擦角按系數為3.5、4.0、4.5、5.0進行折減，具體折減系數及參數如表3。通過有限元軟件的計算分析，當計算過程出現不收斂的情況時，即為洞室群周圍出現大量的塑性區域，水電站廠房產生破壞（折減參數見表3）。

5. 計算結果分析

5.1 當強度折減系數設定為3.5時，計算所得廠房洞室周圍還沒有出現塑性區域，即還沒有發生破壞。當強度折減系數增大到4.0時，計算過程中出現不收斂的現象，有塑性區域產生，即廠房發生破壞。當強度折減系數大于4.0時，這時洞室周圍產生連貫性破壞區域，即對洞室整體穩定性產生嚴重影響（不同Fs值的塑性區示意圖見圖5）。

5.2 通過以上數值模擬計算可得出水電站廠房的安全系數范圍介于3.5至4.0之間。通過如上計算過程進行有限次區間縮小，最終計算得出較為準確的安全系數值為3.9。

5.3 由于水電站廠房巖體中裂隙斷層的作用，當強度折減系數設定為3.9時，水電站主廠房洞周圍開始產生塑性區域，并且逐漸將產生貫通破壞，位于裂隙斷層與水電站主廠房洞室室交叉處，而此時計算得出的應力-位移曲線顯示出，由于斷層的作用使得水電站廠房洞室強度進入了屈服階段，如圖6所示。

6. 結論

（1）水電站主廠房的穩定性受到洞室巖體斷層的影響很大，而洞室斷層經常會受到水庫的滲漏水的作用，其強度會隨著時間逐漸減弱。因此依據強度折減理論，逐步減弱參數值來刻畫洞室斷層弱化這一過程是符合要求的，并且可以確定得出洞室的安全系數及破壞面，評價主廠房洞室的整體穩定性，還可以依照安全系數數值來對斷層的加固施工提供參考。

（2）由數值模擬計算結果得出，斷層參數（C及）數值大小對廠房洞室的塑性區范圍影響大，水電站廠房洞室斷層參數值降低后對整體廠房洞室群的穩定性影響明顯，而在廠房洞室的拱頂位置及底板位置影響將更為突出。所以在后期的防護工作中，加固斷層強度及防滲工作是重點工作。

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[文章編號]1619-2737（2018）04-08-706