軟巖力學參數取值對洞室圍巖變形應力及塑性區影響的敏感性分析

陳張華，陳昱彤，鄧 洋，虞東亮，張 恒

(1.重慶蟠龍抽水蓄能有限公司，重慶401452；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014；3.河海大學水利水電學院，江蘇南京210098)

0 引 言

利用有限元法模擬地下洞室群開挖過程，計算結果與巖石力學參數的關系密切[1]。對巖石參數進行敏感性分析，為精細化選取參數提供了有效途徑，同時也能提高模擬結果的可靠性[2]。在地下洞室圍巖力學參數敏感性研究方面，侯哲生等[3]、孫毅等[4]、申艷軍等[5]先后對不同的地下洞室群巖石力學參數的敏感性問題進行了分析；蔣兵等[6]討論了Unwedge程序在敏感性分析上的應用；王振等[7]提出了基于EFAST法的地下洞室靜動力穩定參數全局敏感性分析方法；聶衛平等[8]提出了基于彈塑性有限元的洞室穩定性參數敏感性灰關聯分析方法。上述研究對于分析地下洞室群圍巖力學參數敏感性有重要意義，但計算模型未考慮所有洞室開挖的影響。

目前，針對地下廠房全洞室開挖過程，軟巖區力學參數敏感性問題的研究相對較少。為此，本文以蟠龍抽水蓄能電站地下洞室群為研究對象，重點研究廠區軟巖力學參數取值對地下廠房圍巖的影響，從而對軟巖力學參數敏感性問題進行討論。

1 工程概況

蟠龍抽水蓄能電站建筑物主要包括上水庫、下水庫、地下廠房系統、輸水系統等。其中，地下廠房系統按尾部式布置，包含4機組，總裝機容量達1 200 MW。洞室上覆巖體厚度約為40～480 m，洞室開挖區主要分布有6層軟巖層。主廠房開挖尺寸為169.00 m×24.00 m×54.425 m(長×寬×高)，主變洞開挖尺寸為139.40 m×20.30 m×21.20 m(長×寬×高)。主廠房、主變洞、軟巖分布見圖1。

圖1 1號機組段主廠房、主變洞及其軟巖分布

2 有限元模型

采用模擬所有洞室開挖過程三維有限元計算模型，對地下廠房洞室群施工過程進行仿真模擬，分析軟巖參數對地下洞室群穩定的敏感性特點。根據主廠房位置及洞室布置形式、斷面尺寸，模擬地下廠房洞室群實際洞體結構，包括主廠房、主變室、主變運輸洞、進廠交通洞、母線洞、排風洞、通風兼安全洞、引水隧洞、尾水隧洞、高壓電纜平洞、施工支洞(3、4、5、6號)、廠頂錨固洞、環繞主廠房和主變室外圍3層排水兼錨固洞、排風機房、送風機房、主廠房送排風洞、主變室送排風洞、檢修排水廊道、聯系廊道、高壓電纜豎井、排風豎井，以及對廠房區圍巖穩定影響較大的6層軟巖。

計算坐標系：以主廠房1號機組中心為坐標原點位置；以主廠房軸線為x軸，指向副廠房方位為正方向；以水平面內垂直x軸為y軸，指向主變室方位為正方向；以豎直方向為z軸，以豎直向上為正方向。

計算范圍：按主廠房、主變室洞周圍巖影響范圍選取計算區間，主廠房左側墻向外延伸800 m，右側墻延伸350 m；主廠房上游墻向外延伸425 m；主變室下游墻延伸250 m；主廠房底板底面向下延伸250 m，向上取至地表表面。

計算模型：模型計算網格節點數為649 612個，單元數為3 802 630個。計算采用Mohr-coulomb屈服準則。地下廠房有限元網格見圖2。

圖2 地下廠房有限元網格

圍巖特征：計算范圍內洞室圍巖分布以III類為主、IV類次之、V類最少，占比分別為75%、20%與5%。III類圍巖主要為紫紅色中細粒砂巖、礫巖、含礫粗砂巖；IV類圍巖主要為礫巖、粉砂巖；V類圍巖主要為泥質粉砂巖、泥巖。本文中的軟巖指IV類與V類圍巖。

施工過程：地下廠房洞室群共分17個開挖步，前7步主要是通風安全洞、主變排風洞、錨固洞及施工支洞等，第8步開始主廠房開挖。

3 軟巖參數敏感性分析

圍巖變形模量試驗值為區間量，以軟巖變形模量取上限值為工況1，取下限值為工況2，分析地下廠房的位移、應力及塑性區特征。2種工況下洞室圍巖物理力學參數見表1。從表1可知，工況2與工況1相比，IV類圍巖變形模量減小了7.14%，V類圍巖變形模量減小了66.67%。

表1 圍巖物理力學參數

表2 廠區最大位移與應力值

表2為2種工況下廠區部分位置的最大位移、最大拉應力與最大壓應力。其中，硬巖位置為主廠房上游墻、主廠房下游墻、主變室上游墻、主變室下游墻，軟巖值取自軟巖層較厚的軟巖6。從表2可知，軟巖變形模量降低后對洞周變形影響明顯，洞周圍巖的變形普遍增大，主廠房頂拱鉛直向下的位移由32.35 mm增大至34.97 mm，增幅達8.10%；主廠房上游墻軟巖沿水流方向的位移由50.18 mm增大到59.21 mm，增幅為18%；主廠房端墻軟巖沿廠房軸線方向的位移由24.23 mm增大至27.44 mm，增幅達13.25%。軟巖變形模量降低對主廠房洞周應力影響不明顯，主廠房洞周圍巖主拉應力由0.837 MPa減小至0.835 MPa，降幅為0.35%；主廠房洞周圍巖主壓應力由-33.81 MPa增大至-34.51 MPa，增幅為2.07%。2種工況下主廠房塑性區分布規律一致，塑性區延伸深度差別在10%以內。

圖3 工況1主廠房上游墻位移云圖(單位：m)

2種工況的位移、應力及塑性區分布基本一致，量值有明顯差異，圖3為工況1主廠房上游墻(含硬巖與軟巖)3個方向位移分布云圖。從圖3可知，沿廠房軸線方向的變形最大值出現在主廠房兩側端墻，均為收斂變形。其中，端墻開挖高度較小一側最大變形值為-18 mm，端墻開挖高度較大一側最大變形值為24.23 mm。沿水流方向的變形最大值位于側墻中部，達到50.18 mm。沿鉛直方向變形最大值出現在廠房頂拱與底板位置，其中，頂拱變形主要為鉛直向下，達到-32.35 mm，底板變形主要為回彈變形，達到39.14 mm。

4 結 語

本文以蟠龍抽水蓄能電站地下洞室群為對象，進行了軟巖力學參數敏感性分析，研究軟巖參數對地下廠房穩定的影響。結果表明，軟巖變形模量降低后對廠區的位移、應力狀態、塑性區均有影響，其中對位移影響最為顯著，主廠房沿水流方向硬巖的位移增幅達16.10%、軟巖的增幅達18%；應力和塑性區的變化均在10%之內。建議在地下洞室群有限元模擬時，增加對軟巖力學參數的敏感性分析，結合不同參數下的廠區變形特征，綜合確定敏感性高的危險區域，為洞室設計提供科學依據。