陸健健 方 丹 姚新剛

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310002)

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澳大利亞Kiston水電站地下廠房圍巖穩(wěn)定分析

陸健健 方 丹 姚新剛

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310002)

基于澳大利亞Kiston水電站地下洞室的地質(zhì)勘查及設(shè)計資料，利用FLAC3D數(shù)值分析軟件，對地下廠房進(jìn)行開挖支護(hù)模擬，分析了在無支護(hù)和系統(tǒng)支護(hù)工況下，開挖完成后圍巖的位移場、應(yīng)力場、塑性區(qū)等的分布特征和演化規(guī)律，為地下廠房的開挖支護(hù)設(shè)計提供依據(jù)。

地下廠房，圍巖，數(shù)值模擬，開挖支護(hù)

1 工程概況

Kiston水電站是一座電站以調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用為主要開發(fā)任務(wù)的抽水蓄能電站。Kiston抽水蓄能電站項目位于北昆士蘭Kiston地區(qū)，地下廠房裝機(jī)規(guī)模為2×225 MW，工程由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、開關(guān)站等建筑物組成。地下廠房軸線方向為N53°E，廠房埋深約280 m～330 m。主副廠房洞開挖尺寸為111 m×25.5(24) m×56.5 m(長×寬×高)，底板高程272.30 m，頂拱高程324.90 m。地下廠房區(qū)域內(nèi)地形平緩，灌木發(fā)育。工程區(qū)域范圍內(nèi)基巖主要為中元古代地層，巖性為Einasleigh變質(zhì)巖(片麻巖)和oak河花崗閃長巖。

本文采用FLAC3D數(shù)值分析軟件，其利用的三維快速拉格朗日法是一種基于三維顯式有限差分法的數(shù)值分析方法[1,2]，它可以模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領(lǐng)域有其獨到的優(yōu)點[3]。

FLAC3D設(shè)置了模擬開挖的“空”模型(null)，為了模擬噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)LAC3D軟件提供了Cable桿單元來模擬錨桿支護(hù)，Shell殼單元來模擬噴混凝土。

2 計算條件

Kiston抽水蓄能電站廠址區(qū)域地勢平緩，廠區(qū)地應(yīng)力是地質(zhì)構(gòu)造運動作用的結(jié)果，廠區(qū)巖體經(jīng)歷了不同程度的卸荷作用過程，此過程伴隨著巖體發(fā)生不同程度的彈塑性變形，在該過程中巖體可能出現(xiàn)壓剪和張拉破壞。應(yīng)力控制型圍巖失穩(wěn)主要決定于初始地應(yīng)力水平及巖石的強(qiáng)度。采用理想的彈塑性模型材料模擬巖體可以滿足分析的要求。故本計算中可以采用彈塑性的計算方法，應(yīng)用莫爾—庫侖與張拉破壞準(zhǔn)則結(jié)合的復(fù)合準(zhǔn)則模擬這種外動力作用導(dǎo)致淺層巖體不可恢復(fù)的變形。

3 計算模型建立及參數(shù)選取

3.1 計算模型建立

計算模型采用ANSYS軟件建立，三維數(shù)值模型的范圍為：沿X軸和Y軸的計算范圍分別為164 m和169 m，豎直方向Z軸從高程209.3 m到地表，高度為330.7 m。三個坐標(biāo)的方位分別為：X軸——軸向方位N37°W；Y軸——軸向方位N53°E；Z軸——按右手法則，與X軸和Y軸垂直，鉛直向上。由于地下廠房兩臺機(jī)組尺寸相同，計算模型僅取單機(jī)組段進(jìn)行模擬，模型共含105 162個單元(廠房模型見圖1，整體模型見圖2)。

3.2 參數(shù)選取

依據(jù)工程地質(zhì)相關(guān)研究成果和現(xiàn)場實際情況，結(jié)合類似工程經(jīng)驗，確定計算中的巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖(土)體物理力學(xué)參數(shù)表

巖體分級容重/kN·m-3泊松比變形模量E/GPa抗剪斷強(qiáng)度f'C'/MPaⅡ27000.22151.21.3Ⅲ26500.25121.01.0

根據(jù)提供的地應(yīng)力測試成果[4]顯示：測孔KDDH08測試深度為292.58 m時巖體最大水平主應(yīng)力為22.37 MPa，最小水平主應(yīng)力為10.9 MPa，屬于中高地應(yīng)力區(qū)，該孔地應(yīng)力測試成果可靠度高，可作為廠區(qū)地應(yīng)力代表性測點。巖體最大水平主應(yīng)力方向為N73.44°E，現(xiàn)場實測成果應(yīng)力與廠區(qū)地應(yīng)力場的分析是一致的，地下廠房區(qū)為以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力，并且最大水平主應(yīng)力方向與主副廠房洞縱軸線方向呈20°，呈小角度相交，廠房軸線方位對圍巖穩(wěn)定較為有利。本計算采用KDDH08測試成果施加初始地應(yīng)力。

4 數(shù)值計算結(jié)果分析

4.1 無支護(hù)條件下圍巖穩(wěn)定分析

1)圍巖變形。

開挖過程中廠房圍巖的位移場是在不斷演化的，總的來看：主副廠房頂拱鉛直向下變形，由于巖性較好，隨著開挖高度的增加，頂拱有一定程度的回彈，第四層開挖后頂拱變形趨于穩(wěn)定。高邊墻向洞內(nèi)收斂變形，隨著開挖高度增加圍巖變形逐漸增大，最大變形量值約20 mm，下游邊墻略大于上游邊墻。由于地下廠房以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，表現(xiàn)為邊墻變形遠(yuǎn)大于頂拱變形。圖3，圖4反映了洞室開挖完成后洞室頂拱及邊墻的變形趨勢。

2)圍巖應(yīng)力。

洞室開挖完成以后，圍巖的應(yīng)力場發(fā)生了明顯的改變，圖5，圖6為開挖完成后洞周圍巖應(yīng)力分布圖。受區(qū)域水平構(gòu)造應(yīng)力場的控制，主副廠房頂拱有較明顯的應(yīng)力包，頂拱擠壓明顯，最大壓應(yīng)力約為12 MPa～16 MPa，拱肩由于應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力達(dá)到18 MPa。洞室四周應(yīng)力松弛變化較均勻，上下游高邊墻應(yīng)力松弛明顯，最小主應(yīng)力約為1 MPa～2 MPa，局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為0.5 MPa，未超過邊墻巖體的抗拉強(qiáng)度值。

3)圍巖塑性區(qū)。

圖7為洞群開挖完成后洞周圍巖塑性區(qū)分布圖，主廠房頂拱塑性區(qū)深度一般為2 m～6 m，高邊墻圍巖塑性區(qū)深度一般約4 m～6 m，塑性區(qū)范圍總體不大。

4.2 支護(hù)條件下圍巖穩(wěn)定分析

主廠房系統(tǒng)支護(hù)方案見表2。根據(jù)系統(tǒng)支護(hù)方案建立了洞室群的支護(hù)計算模型，錨桿支護(hù)斷面與單元模型分別見圖8，圖9。

表2 主廠房支護(hù)參數(shù)表

主廠房區(qū)域在系統(tǒng)支護(hù)條件下圍巖分層開挖完成后的位移場、應(yīng)力場、塑性區(qū)分布見表3?，F(xiàn)對系統(tǒng)支護(hù)條件下廠房開挖響應(yīng)分析如下。

表3 無支護(hù)條件下與系統(tǒng)支護(hù)條件下洞室圍巖開挖響應(yīng)統(tǒng)計表

4.2.1 圍巖變形

與無支護(hù)計算結(jié)果相比，支護(hù)后圍巖變形均有一定程度的減小，頂拱變形量減小10%左右；上下游邊墻的圍巖變形在支護(hù)后明顯減小，最大的降幅達(dá)到15%。圖10，圖11反映了系統(tǒng)支護(hù)條件下洞室開挖完成后洞室頂拱及邊墻的變形形態(tài)。

與無支護(hù)計算工況相比較，各關(guān)鍵部位圍巖變形基本上都是隨開挖進(jìn)度的變化逐漸增加，但變形增量較無支護(hù)條件下均有一定的減小，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)對圍巖變形穩(wěn)定有較好的控制作用。

4.2.2 圍巖應(yīng)力

圖12，圖13為系統(tǒng)支護(hù)條件下洞室開挖完成后洞周圍巖應(yīng)力分布圖。在支護(hù)條件下，主廠房的應(yīng)力分布與無支護(hù)條件下基本一致，未發(fā)生明顯的變化。

4.2.3 圍巖塑性區(qū)

圖14為洞室群開挖完成后洞周圍巖塑性區(qū)分布圖，與無支護(hù)條件相比較，在支護(hù)條件下，洞壁圍巖塑性區(qū)深度減小明顯，可見噴混凝土及系統(tǒng)錨桿支護(hù)對圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展有較好的控制作用。

4.2.4 支護(hù)力

計算結(jié)果表明，主廠房頂拱錨桿拉應(yīng)力在80 MPa～150 MPa之間，上下游邊墻錨桿應(yīng)力在70 MPa～174 MPa之間，頂拱錨桿最大在廠房頂拱中部，邊墻錨桿應(yīng)力最大在廠房邊墻中部，與圍巖最大變形位置一致。

5 結(jié)語

1)地下廠房區(qū)為水平構(gòu)造應(yīng)力為主的中高地應(yīng)力場區(qū)，主廠房洞縱軸線方向與最大水平主應(yīng)力方向呈20°夾角，呈小角度相交，對洞室邊墻圍巖穩(wěn)定有利，地下廠房軸線方位布置合理；

2)地下洞室圍巖變形符合一般規(guī)律，隨洞室分層開挖進(jìn)行，頂拱位移表現(xiàn)為先向下變形，再回彈，后趨于穩(wěn)定；高邊墻圍巖變形隨開挖步逐漸增大，最大變形量值約20 mm；邊墻應(yīng)力松弛區(qū)及圍巖塑性區(qū)分布深度均在可控范圍內(nèi)，總體而言，無支護(hù)條件下地下廠房洞室群圍巖整體穩(wěn)定，具備開挖地下洞室的良好成洞條件；

3)系統(tǒng)錨噴支護(hù)后對洞室群的整體變形規(guī)律沒有太大影響，但圍巖變形、邊墻應(yīng)力松弛區(qū)及塑性區(qū)深度明顯減小，總體上，系統(tǒng)支護(hù)后洞室圍巖變形較小，圍巖塑性區(qū)深度較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況較好，表明支護(hù)參數(shù)擬定較合理，圍巖穩(wěn)定性較好；

4)利用單一機(jī)組進(jìn)行模型計算可以有效節(jié)約建模及計算時間，同時能得出圍巖變形、應(yīng)力、塑性區(qū)隨開挖分部的大致規(guī)律，在可行性研究階段是比較好的計算方式；

5)本次計算只建立了單一機(jī)組段模型，對洞室開挖成洞及支護(hù)參數(shù)等進(jìn)行了初步評價，隨著設(shè)計階段的深入，后期可根據(jù)地質(zhì)條件、廠房布置情況進(jìn)行整體模型的復(fù)核計算。

[1] 陳帥宇，周維恒，楊 強(qiáng)，等.三維快速拉格朗日法進(jìn)行水布埡地下廠房的穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003,22(7)：1047-1053.

[2] 梁海波，李仲奎，谷兆棋.FLAC程序及其在我國水電工程中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1996(3)：225-230.

[3] 王燦剛，張 云.FLAC3D在淺埋隧道穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].巖土工程界，2008,11(2)：50-51.

[4] 蔡美峰，喬 蘭，李華斌.地應(yīng)力測試原理和技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，1995.

1009-6825(2016)24-0080-04

2016-06-17

陸健健(1987- )，男，碩士，工程師

TU413.62

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