王瑞華，溫家華，李云龍，崔 煒

（1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100761；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

河北豐寧抽水蓄能電站地下廠房圍巖穩(wěn)定計算分析

王瑞華1，溫家華2，李云龍2，崔 煒3

（1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100761；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

正在建設(shè)的豐寧抽水蓄能電站是目前國內(nèi)裝機容量最大的抽水蓄能電站，其地下廠房洞室規(guī)模大、布置復(fù)雜。本文依據(jù)工程布置及廠址區(qū)域地質(zhì)資料建立三維有限元模型，運用有限元計算軟件ABAQUS進行廠址區(qū)域地應(yīng)力反演和地下洞室群圍巖計算，對圍巖應(yīng)力、位移等計算結(jié)果進行分析，做出圍巖穩(wěn)定性評價，為類似工程的設(shè)計、計算分析提供參考。

抽水蓄能；地下廠房；圍巖穩(wěn)定；有限元；地應(yīng)力反演

1 研究背景

抽水蓄能電站廠房幾乎都采用地下廠房的形式，地下洞室群的圍巖穩(wěn)定是電站廠房工程成敗的關(guān)鍵因素，長期以來，地下洞室的設(shè)計方法主要有兩大類［1］：一是經(jīng)驗法，即工程類比法，結(jié)合大量已建工程的實例，與所建工程進行多方面的比較分析，選擇適合本工程的設(shè)計形式及參數(shù)；二是數(shù)值計算方法，通過建立結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，運用以有限元為代表的數(shù)值化軟件對洞室群進行數(shù)值計算，得出各區(qū)域的應(yīng)力、變形、塑性區(qū)域、圍巖松動圈等指標，為支護設(shè)計方案提供支持［2-6］。本文結(jié)合河北豐寧抽水蓄能電站地下廠房的實例，對地下洞室群圍巖的有限元模型建立、地應(yīng)力場反演、穩(wěn)定計算、支護分析等內(nèi)容進行分析，為類似工程的設(shè)計、計算分析提供參考。

2 工程概況

豐寧抽水蓄能電站的裝機容量為3 600MW，一期建設(shè)1 800MW，為目前已建抽水蓄能工程中裝機容量最大的電站。工程規(guī)模為大（1）型一等工程，永久性主要建筑物為1級建筑物，永久性次要水工建筑物為3級建筑物。廠房地下洞室群主要由地下主機間洞室、安裝間洞室、副廠房洞室、主變洞、母線洞、尾水門機洞、進出水壓力水道等組成。主機間洞室、安裝間洞室、副廠房洞室呈“一”字形布置，洞室總開挖尺寸為207.0m×25.0m×53.0m（長×寬×高）；主變洞開挖尺寸為204.9m×20.9m× 21.5m，洞室為大型地下洞室群。

地下廠房系統(tǒng)位于灤河左岸，地形上總體表現(xiàn)為“兩梁夾一溝”，主要洞室布置于鞭子溝溝腦部位，軸線為近SN向，與鞭子溝呈近60°角度斜交，上覆巖體厚度250～330 m。巖性主要為三疊系干溝門單元中粗?；◢弾r，灰白色、肉紅色，巖石具花崗結(jié)構(gòu)，圍巖較完整，巖體以塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部為次塊狀結(jié)構(gòu)或整體狀結(jié)構(gòu)。

3 計算模型

3.1 有限元模型的建立 地下廠房系統(tǒng)地下洞室多、跨徑大，壓力管道下平洞段、尾水管道及其延伸段、主副廠房、安裝間、主變室、母線洞、主變運輸洞等以水平、豎直相貫及交錯，形成龐大復(fù)雜的地下洞室群，洞群緊湊、規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

根據(jù)地質(zhì)勘察、建筑物布置等資料，采用MSC.PATRAN軟件建立三維有限元網(wǎng)格模型，見圖1、圖2。模型模擬了影響地下洞室群區(qū)域支護穩(wěn)定的主要構(gòu)造帶，圍巖、主機間、主變室、尾水閘室、引水、尾水等水道，以及洞室之間的連接洞。整體模型共劃分三維有限單元約111萬個，節(jié)點約69萬個。巖體采用8節(jié)點6面體、6節(jié)點5面體和4節(jié)點4面體實體單元模擬，其中8節(jié)點6面體單元在模型中占絕大多數(shù)。系統(tǒng)錨桿采用桿件單元模擬，鑒于砂漿錨桿的受力特點，錨桿單元為限制所在的巖體單元變形提供剛度拉力貢獻，錨桿節(jié)點與其所在的巖體單元節(jié)點之間通過數(shù)學(xué)插值實現(xiàn)協(xié)調(diào)變形。模型上部邊界取至自然地表，人工邊界距離洞室開挖邊界的距離超過3倍的洞室跨度，充分滿足有限元計算的人工模型邊界尺寸要求。

圖1 整體網(wǎng)格模型

圖2 地下洞室群網(wǎng)格模型

3.2 力學(xué)參數(shù) 根據(jù)地質(zhì)勘察資料的建議值，并參考招標設(shè)計階段工程地質(zhì)報告巖石試驗成果，最終確定廠區(qū)圍巖的三維有限元計算值見表1。

表1 計算參數(shù)

巖體采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服準則為MHOR-COULOMB準則：

式中：τ為剪應(yīng)力；σ為正應(yīng)力；c為凝聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

計算分析采用ABAQUS軟件。該程序是世界領(lǐng)先的非線性有限元分析軟件，可分析復(fù)雜的固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和多場耦合系統(tǒng)，尤其見長于能夠駕馭非常龐大的問題和模擬非線性的影響。

4 初始地應(yīng)力場反演分析

在地應(yīng)力反演分析中，著重研究廠房區(qū)地應(yīng)力測試鉆孔ZK305、ZK307、ZK 330和TXJC-2處的地應(yīng)力值。反演的主要過程：基于三維有限元模型，向模型施加重力、水平向荷載和位移值，進行多工況試算，計算結(jié)果與實測值對比，逐漸修正，直到計算值和實測值在數(shù)值和方向均非常接近為止。所形成的應(yīng)力場即為自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場的疊加。地應(yīng)力反演分析中，共進行了近20個工況的試算。

地下廠房區(qū)地應(yīng)力實測值與有限元反演值的對比，絕大多數(shù)測點的應(yīng)力反演值與實測值之間的誤差不超過15%。廠區(qū)鉆孔的實測最大與最小水平應(yīng)力比值σH/sh、最大水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值σH/sv、最小水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值sh/sv的平均值分別為1.65、1.74、1.05，相應(yīng)的有限元反演成果為1.55、1.70、1.10，反演獲得的3個主應(yīng)力比值與實測比值的誤差分別是2%、6%和5%。有限元反演分析得出的最大水平主應(yīng)力方向與實測值方向的角度差小于10°。對于三維空間的地質(zhì)力學(xué)問題而言，反演成果與現(xiàn)場實測的差異已經(jīng)很小，對廠房開挖支護分析的影響較小，能夠滿足工程計算分析的需要。

5 洞室群施工期圍巖穩(wěn)定和支護分析

廠區(qū)地下洞室交錯、貫通，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為保證施工安全和效率，需確定合理的施工順序。根據(jù)既往工程經(jīng)驗，擬安排主廠房先行施工，主變洞滯后跟進，各地下洞室采用自上而下分層開挖，開挖一層、支護一層，確保廠房洞室群的整體穩(wěn)定，減小廠房、主變室圍巖的塑性變形。

計算中模擬了地下廠房區(qū)域主要洞室分次、分層開挖的過程（見圖3），采用噴錨支護的方式，噴錨參數(shù)為：C30噴射混凝土，厚度15 cm；掛網(wǎng)鋼筋φ10 mm，@×@20×20 cm；錨桿Φ28 mm，L＝5/7 m，@×@1.5×1.5m。

圖3 地下廠房洞室群分層開挖示意圖

洞室開挖后，總體的位移趨勢是由洞周向洞內(nèi)變形（見圖4、圖5），主廠房、主變洞、尾水閘門室的位移依次減小。廠房邊墻的最大位移為54.1 mm，位于上游邊墻中部，拱頂下沉20.1 mm，底板回彈27.7mm，均位于廠房中部，端墻最大位移21.9mm。主變洞邊墻的最大位移為29.3mm，拱頂下沉18.0mm，端墻最大位移14.7mm。尾水閘門室邊墻的最大位移為26.8mm，拱頂下沉2.8mm，端墻最大位移8.1 mm。各部位的位移值與國內(nèi)已經(jīng)建同規(guī)模地下電站洞室的變形觀測相比［7］，在量級相比是一致的，變形規(guī)律也相似，因此認為計算值是合理的。

圖4 地下廠房洞室群圍巖位移等值線（上、下游方向） （單位：m）

地下洞室開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布（見圖6），圍巖主壓應(yīng)力沿洞室環(huán)向分布，數(shù)值基本在30 MPa以下，廠房頂拱和底板深部的壓應(yīng)力略大，其值約25 MPa，尾水閘門室頂拱中有小范圍區(qū)域的主壓應(yīng)力在30～35MPa范圍。圍巖主拉應(yīng)力絕大多數(shù)的點小于1MPa，僅位于廠房上游邊墻表層開挖卸載區(qū)。圍巖中的主壓應(yīng)力、主拉應(yīng)力與巖體壓、拉強度做對比，在一定程度上能夠反應(yīng)巖體的強度狀況，圍巖飽和狀態(tài)的抗壓強度為80 MPa、抗拉強度為4 MPa，洞室施工完成后圍巖主壓、主拉應(yīng)力遠小于巖體飽和狀態(tài)的強度，由此認為圍巖在開挖后不會發(fā)生大范圍的強度破壞。

圖5 地下廠房洞室3#機組橫剖面位移矢量圖

洞室群大多數(shù)錨桿的拉應(yīng)力小于200 MPa。廠房頂拱錨桿拉應(yīng)力為最大，最大值達到283 MPa，上游邊墻錨桿最大拉應(yīng)力為240 MPa，下游邊墻錨桿拉應(yīng)力為220MPa。主變洞頂拱錨桿拉應(yīng)力最大值為200 MPa，上游邊墻錨桿最大拉應(yīng)力為190 MPa，下游邊墻錨桿拉應(yīng)力為120 MPa。錨桿的拉應(yīng)力均小于設(shè)計強度300 MPa，砂漿錨桿的規(guī)格選用是合理的。

圖6 地下廠房洞室3#機組橫剖面應(yīng)力矢量圖

6 結(jié)語

（1）采用對有限元模型施加重力、水平向荷載和位移值的方法，進行多工況進行試算，地應(yīng)力反演值與實測值之間的誤差不超過15%，角度差小于10°，說明數(shù)值和方向均非常接近，滿足工程計算分析的需要。（2）對豐寧抽水蓄能電站地下廠房洞室群三維數(shù)值計算分析得出的圍巖變形規(guī)律、圍巖應(yīng)力狀態(tài)、錨桿應(yīng)力狀況等方面綜合判斷，地下廠房洞室群圍巖是穩(wěn)定的，結(jié)構(gòu)安全能夠得到保障。（3）由于巖土工程本身的復(fù)雜性、數(shù)值計算不可能全部模擬所有地質(zhì)構(gòu)造等因素，施工過程中應(yīng)結(jié)合開挖狀況及收斂觀測信息等對支護參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化，確保設(shè)計方案的合理性及在施工期、運行期的安全。

［1］ 邱彬如，劉連希.抽水蓄能電站工程技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［2］ 余衛(wèi)平，汪小剛，楊健，等.地下洞室群圍巖穩(wěn)定性分析及其結(jié)果的可視化［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（10）：3730-3736.

［3］ 蘇凱，伍鶴皋，蔣逵超，等.不同支護時機的地下洞室圍巖穩(wěn)定仿真［J］.武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2008，41（4）：29-33.

［4］ 王頌，何沛田.江口水電站地下廠房圍巖穩(wěn)定性研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2006，2（S2）：16-18.

［5］ 徐金英，李德玉.郭勝山.基于ABAQUS的兩種庫水附加質(zhì)量模型下重力壩動力分析［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2014，12（1）：98-103.

［6］ 郝明輝，張艷紅，陳厚群.基于ABAQUS的黏彈性人工邊界在重力壩分析中的應(yīng)用［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2012，10（2）：120-126.

［7］ 黨林才，等.中國水電地下工程建設(shè)與關(guān)鍵技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.

［8］ 豐寧抽水蓄能電站工程設(shè)計資料［R］.北京：中國水電顧問集團北京勘測設(shè)計研究院，2013.

Stability analysis of underground pow erhouse surrounding rock of Hebei Fengning pumped storage power plant

WANG Ruihua1，WEN Jiahua2，LI Yunlong2，CUI Wei3
（1.Xinjiang Investigation and Design Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China；2.Technology Center of State Grid Xinyuan Company LTD，Beijing 100761，China；3.China Institute of Water Resources and Hydro power Research，Beijing 100038，China）

The Hebei Fengning pumped storage power plant is being built with large and complicated powerhouse caverns.It will have the largest installed capacity in China’s pumped storage power plants.In this paper，a 3-dimensional finite element method model is created on the basis of engineering layouts and site geological test data.The back analysis of in-situ stress and the stability of caverns surrounding rock are studied with the simulation of code ABAQUS.The stress and displacement of surrounding rock are calculated and analyzed，and the stability of surrounding rock is evaluated.The conclusions provide valuable references for the structural design，calculation and analysis of sim ilar projects.

pumped storage power plant；underground powerhouse；stability of surrounding rock；finite element method；back analysis of in-situ stress

TV642.3

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.03.004

1672-3031（2016）03-0182-05

（責(zé)任編輯：李 琳）

2015-07-31

王瑞華（1979-），男，湖北宜昌人，高級工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計研究。E-mail：wangruihua563@126.com