閆　涵，趙　靚（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春130021）

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電站廠房地下洞室開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定分析

閆涵，趙靚
（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春130021）

［摘要］針對(duì)地下廠房洞室開(kāi)挖的圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題，通過(guò)建立包括原導(dǎo)流洞、主副廠房、尾水洞、廠房周?chē)鷰r體、斷層及主要軟弱夾層的三維有限元模型，采用非線性有限元分析方法，模擬了洞室的分層開(kāi)挖過(guò)程，分析評(píng)價(jià)了洞室開(kāi)挖后圍巖的穩(wěn)定性。

［關(guān)鍵詞］地下洞室；彈塑性有限元；穩(wěn)定分析；分層開(kāi)挖地下洞室

1　概述

地下廠房系統(tǒng)施工期圍巖的整體安全穩(wěn)定問(wèn)題是控制水利水電工程建設(shè)的關(guān)鍵計(jì)算問(wèn)題之一，國(guó)內(nèi)外大型地下洞室群都要采用地下廠房巖石力學(xué)試驗(yàn)、地應(yīng)力測(cè)試、試驗(yàn)洞現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、工程巖體分級(jí)、有限元數(shù)值計(jì)算等多種手段，對(duì)地下廠房圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行綜合分析和討論。其中的整體圍巖穩(wěn)定彈塑性有限元等數(shù)值計(jì)算方法已經(jīng)逐漸成為地下廠房圍巖穩(wěn)定分析的一個(gè)必選項(xiàng)目，在小浪底、二灘、三峽、龍羊峽、龍灘、水布埡、小灣、溪洛渡等較大型水利水電工程中得到了廣泛成功的應(yīng)用。

2　電站簡(jiǎn)介

電站工程樞紐建筑物主要由下水庫(kù)及下水庫(kù)泄洪排沙閘壩，上水庫(kù)及上水庫(kù)鋼筋混凝土面板堆石壩、上下水庫(kù)進(jìn)出水口、地下廠房洞室系統(tǒng)、地下輸水洞室系統(tǒng)及地面開(kāi)關(guān)站等地面附屬建筑物組成。輸水系統(tǒng)中發(fā)電引水系統(tǒng)采用二洞四機(jī)布置，發(fā)電尾水系統(tǒng)采用一洞四機(jī)布置。發(fā)電時(shí)最大流量為445.32 m3/s（4臺(tái)機(jī)），抽水時(shí)最大流量為394.2 m3/s（4臺(tái)機(jī)）；地下廠房裝機(jī)4×300 MW。

廠房區(qū)地下水主要為賦存于基巖裂隙及斷層破碎帶內(nèi)的裂隙水。地下水位埋深約20～35 m，高出廠房頂拱約50～80 m，但巖石透水性微弱，僅局部見(jiàn)有地下水滲涌。據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)資料，廠房區(qū)巖石透水性微弱，其透水率多小于1 Lu。多數(shù)地段洞周巖石呈潮濕狀，僅巖石裂隙發(fā)育地段和斷層破碎帶交匯部位見(jiàn)有地下水呈脈狀滲流或雨滴狀滲出。

3　有限元模型

地下廠房及圍巖的三維有限元模型主要模擬主機(jī)間、安裝間、副廠房和尾水洞及周?chē)鷰r體。模型取距離主廠房周邊為主廠房跨度的5倍作為邊界。計(jì)算域內(nèi)考慮對(duì)圍巖穩(wěn)定影響較大的7個(gè)軟弱夾層（Ⅰ-701，Ⅲ-528，Ⅱ1-518，Ⅲ-515，Ⅲ-513，Ⅲ-508和Ⅲ-404）和1個(gè)斷層（F29）。由于夾層Ⅲ-515和Ⅲ-513距離較近，可適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化，將Ⅲ-515和Ⅲ-513合并，夾層厚度取兩者厚度之和。為提高計(jì)算精度和網(wǎng)格剖分效率，軟弱夾層和斷層采用6結(jié)點(diǎn)棱柱體單元，其余部分均采用4結(jié)點(diǎn)四面體單元。

4　開(kāi)挖過(guò)程中圍巖穩(wěn)定分析

根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試資料中各應(yīng)力分量與豎向應(yīng)力之間的關(guān)系，采用側(cè)壓力系數(shù)法大概模擬廠房的地應(yīng)力場(chǎng)。模型側(cè)邊界采用法向位移約束，即上下游邊界采用平行廠房軸線的位移約束，南北邊界采用垂直廠房軸線的位移約束；模型底面采用全約束，即限制x，y，z方向的位移。

對(duì)有限元模型施加初始地應(yīng)力和邊界約束條件，按照分層開(kāi)挖順序分塊計(jì)算，第一運(yùn)行塊所有單元參與運(yùn)算，下一運(yùn)行塊中對(duì)應(yīng)施工開(kāi)挖的單元退出運(yùn)算，依次類(lèi)推。計(jì)算得到的圍巖的應(yīng)力、位移和變形。開(kāi)挖順序如圖1所示。

圖1　施工分層開(kāi)挖圖

圖2～4為頂拱和邊墻特征點(diǎn)處位移隨施工開(kāi)挖過(guò)程的變化曲線。由圖2可知，頂拱沉降變形在第四步開(kāi)挖完成后基本保持穩(wěn)定；圖3、圖4中邊墻在第三層開(kāi)挖時(shí)由于地應(yīng)力釋放，位移變化較大，澆筑時(shí)位移基本保持不變，第四層開(kāi)挖位移繼續(xù)增大，之后的開(kāi)挖對(duì)位移的影響較??；從整體來(lái)看，開(kāi)挖過(guò)程中邊墻變形不大。

圖2　頂拱特征點(diǎn)豎向位移隨開(kāi)挖過(guò)程的變化

由位移云圖可以看出典型斷面的位移情況。由開(kāi)挖過(guò)程中位移的變化趨勢(shì)可以看出，頂拱沉降變形基本穩(wěn)定，兩側(cè)邊墻變形適中，洞室形態(tài)基本正常。地質(zhì)構(gòu)造對(duì)洞室的位移有較大影響，廠房洞室經(jīng)過(guò)夾層或斷層處，位移都有一定程度的增大。

由典型斷面的應(yīng)力云圖可以判斷主應(yīng)力分布。由開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力的變化趨勢(shì)可以看出，拉應(yīng)力區(qū)基本上都位于邊墻和底板及頂拱處，壓應(yīng)力較大的區(qū)域主要分布在上下游端墻、兩側(cè)邊墻及頂拱相交的邊界突變處，地質(zhì)構(gòu)造對(duì)洞室的應(yīng)力有較大影響，廠房洞室經(jīng)過(guò)夾層或斷層處，都出現(xiàn)有一定程度的應(yīng)力集中。

圖3　邊墻特征點(diǎn)1水平向位移隨開(kāi)挖過(guò)程的變化

圖4　邊墻特征點(diǎn)2水平向位移隨開(kāi)挖過(guò)程的變化

由典型斷面的塑性區(qū)云圖分布可以判斷塑性區(qū)分布。由開(kāi)挖過(guò)程中塑性區(qū)的變化可以看出，塑性區(qū)基本上分布于圍巖和斷層、夾層相交處，頂拱（除與Ⅲ-528相交處外）及邊墻周?chē)鷰r體基本上沒(méi)有出現(xiàn)塑性變形，洞室整體穩(wěn)定性較好。廠房洞室經(jīng)過(guò)夾層或斷層處，頂拱和邊墻可能會(huì)出現(xiàn)局部不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

5　結(jié)論

有限元模型計(jì)算成果表明，地質(zhì)構(gòu)造對(duì)洞室影響較大，軟弱夾層和斷層及邊界突變處出現(xiàn)應(yīng)力集中，壓應(yīng)力值小于巖石抗壓強(qiáng)度，圍巖應(yīng)力和洞室變形狀態(tài)基本正常，但斷層、夾層等地質(zhì)構(gòu)造對(duì)洞室的局部穩(wěn)定有較大影響，廠房洞室經(jīng)過(guò)夾層或斷層處，頂拱和邊墻可能會(huì)出現(xiàn)局部不穩(wěn)定的現(xiàn)象。塑性區(qū)基本上分布于圍巖和斷層、夾層相交處，洞室整體穩(wěn)定性較好。

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［中圖分類(lèi)號(hào)］TV74

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1002－0624（2016）03－0008－03

[收稿日期]2015-11-17