高 凱，王林維，郭建宏

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065 )

文章編號：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

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065 )

基于云南某水電站地下洞室的地質勘察及設計資料，通過ANSYS建立其三維地質模型，經FLAC3D數(shù)值模擬計算，系統(tǒng)研究了該水電站地下洞室開挖及支護后圍巖的應力場、應變場和塑性破壞區(qū)的變化特征，對其圍巖穩(wěn)定性做出評價，為洞室設計提供了科學依據與技術指導。

地下洞室；圍巖穩(wěn)定性；ANSYS；FLAC3D

0 前 言

隨著水電開發(fā)技術的日益成熟，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計方案成敗的關鍵因素。而計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬被廣泛地應用在地下洞室群施工期與運營期的穩(wěn)定性分析上。采用三維數(shù)值模擬方法評價地下洞室群的圍巖穩(wěn)定性[1-4]為本文研究的核心內容。

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系分析大變形問題的數(shù)值方法，并利用差分格式按時步積分求解，適合于解決巖土工程中經常遇到的大變形問題，是一種理想的巖土工程計算軟件。本文將通過該軟件計算分析，重點研究洞室開挖過程中及支護后圍巖的位移場、應力場和塑性區(qū)特征，評價洞室圍巖的穩(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)劃方案的第二級電站，初擬水庫正常蓄水位1 906.00 m，相應庫容2.84億m3，電站裝機容量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，地下廠房設計長度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，主變室設計總長143.7 m，最大高度34.3 m，最大開挖跨度18 m。尾水調壓室平行布置在主變室下游側，與主變室凈間距為35 m。尾調開挖尺寸98.5 m×20 m×65.9 m(長×寬×高)，頂拱高程1 850.30 m。調壓室下游分別接1、2號尾水洞。

1.2 地質條件

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、泥質板巖夾薄層～中厚層狀變質細砂巖，層狀、板狀構造，為較堅硬巖～堅硬巖，層間結合緊密，屬微風化～新鮮巖體，地下洞室圍巖中板巖約占54%，變質石英砂巖約占46%，巖層產狀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

本文計算區(qū)域邊界按照廠區(qū)的地形，并滿足一定的邊界效應要求，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、尾水調壓室、尾水洞、母線洞等主要地下洞室單元，也包括了當前地質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 計算分析

本文基于該水電站地質勘察資料，利用ANSYS軟件建立山體及洞室三維地質實體模型，借助ANSYS和FLAC3D的接口程序，將實體模型轉化為FLAC3D可讀取的計算模型，并通過FLAC3D對其進行彈塑性分析和強度折減計算，根據圍巖位移場和應力場的分布規(guī)律，評價洞室開挖及支護后圍巖的穩(wěn)定性，探討其潛在破壞情況。

圖2 實體模型圖

3.1 計算模型

經過接口程序將模型轉換后，廠區(qū)模型共由1 337 323個單元組和226 978個節(jié)點構成(圖3)，至此，實體模型已成功導入FLAC3D，并可以進行三維有限差分計算。

圖3 FLAC3D模型圖

3.2 邊界條件及物理力學參數(shù)

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

表1 廠區(qū)洞室圍巖巖土體物理力學參數(shù)表

3.3 計算方法及步驟

計算時，按下述步驟進行：① 選擇彈性本構模型，按前述約束條件，只考慮重力，進行彈性求解，計算至平衡后對位移場和速度場清零，生成初始應力場；② 在此基礎上，對廠區(qū)地下洞室開挖階段，賦表1參數(shù)值，選擇Mohr-Coulomb模型進行彈塑性求解，直至系統(tǒng)達到平衡；③ 對洞室圍巖進行支護，重新進行彈塑性求解，直至系統(tǒng)達到平衡。

將FLAC3D計算結果導入Tecplot，通過其強大的后處理功能，繪制洞室典型剖面(Y=-80 m)的位移和最大、最小主應力等值線圖，綜合分析廠區(qū)洞室開挖和支護后圍巖位移場和應力場的分布規(guī)律。

4 模擬結果分析

4.1 洞室開挖計算結果分析

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，總體變形趨勢表現(xiàn)為向臨空面方向移動，頂拱下沉，底板回彈，邊墻向洞室內收斂，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較大；與之對應，位移等值線圖(圖5)表明，至開挖完成時，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，底板變形相對較小。

圖4 剖面位移矢量圖

4.1.2 應力分析

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

圖5 剖面位移等值線圖

圖6 最大主應力等值線圖

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、主變室底部及尾調室下游邊墻存在較明顯的應力集中現(xiàn)象，其最大影響深度可達30 m(水平距邊墻)。

圖7 最小主應力等值線圖

圖8 塑性變形區(qū)域圖

4.2 錨桿支護后的效果

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

經計算，采取支護措施之后(圖10)，洞室周邊圍巖變形明顯減小，塑性區(qū)分布也較支護前減少，洞室的整體穩(wěn)定性有所加強。

圖9 塑性變形等值線圖

圖10 錨桿支護后塑性區(qū)圖

5 結 語

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

(2) ANSYS具有強大的前處理功能，用ANSYS建模方便快捷，但它不能解決大變形問題，而FLAC3D彌補了ANSYS的不足。地下洞室開挖屬于復雜的大變形問題，本文結合利用兩款軟件的優(yōu)點，通過ANSYS建立模型并導入FLAC3D中進行圍巖穩(wěn)定計算。

(3) 廠區(qū)洞室群在開挖后，洞室的圍巖會出現(xiàn)一定的變形，拱頂下沉，底板回彈，邊墻向洞室內收斂。洞室開挖后最危險區(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、應力集中現(xiàn)象以及塑性區(qū)。因此施工開挖時應加強這些部位的監(jiān)測，并及時支護。

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

(6) 綜上，洞室圍巖變形、應力、塑性區(qū)及支護結構受力均在合理的范圍內，說明洞室開挖支護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過程中的應力應變問題，為設計動態(tài)調整支護參數(shù)提供了依據。

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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、勘察設計工作.

TU457

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.007