袁 強，王 明，向賢鏡

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

水電站地下廠房開挖支護設計中，借助ANSYS應用軟件采用有限元法計算，其工作量小，計算過程中不易出錯，它采用整體建模整體加載，避免了簡化模型所產(chǎn)生的問題。文中以某水電站地下廠房洞室開挖為例，介紹運用ANSYS軟件采用有限元法對地下廠房開挖進行數(shù)值模擬。

1 工程概況

某水電站為金沙江上游干流梯級規(guī)劃“一庫十三級”中的梯級電站。電站采用混合式開發(fā)，最大壩高45 m，裝機容量1 080 MW。共布置4臺單機270 MW混流式發(fā)電機組。地下廠房布置采用兩洞室平行布置形式，主洞室和主變洞之間巖體厚45.2 m。主洞室長192.15 m，寬28.4 m，高72.25 m，結合地形地質(zhì)條件及引水線路布置初擬軸線方位N58.19°W，主洞室上部巖體最小覆蓋厚度約110 m，左右側最小厚度約80 m。

2 數(shù)值模擬

將洞室整個圍巖假定為半無限彈性平面體[1]，按平面應力問題有限元法分析。初始應力場計算后，采用“生死單元”法進行開挖模擬，即把開挖區(qū)域設置為不參與計算的死單元來模擬計算[2]。

2.1 計算域的選取

考慮洞群的空間效應和提供必要的邊界厚度，在垂直洞軸線方向，主廠房外側由廠房邊墻起，往山里延伸3倍廠房開挖跨度（90 m），尾水閘門井外側由尾水閘門進外邊墻起向河谷延伸70 m；在垂直方向，底部取到2 193 m高程，上部至地表面。為簡化模型，只對主要洞室進行開挖建模。

2.2 有限元模型

建立二維平面應變模型，模擬初始地應力場以及廠房與主變洞的開挖過程。這次計算分析中，圍巖按彈性材料考慮，對模型全部采用四邊形單元進行有限元離散。

2.3 邊界條件

在計算域內(nèi)，模型頂部為地表自由面，左右邊界法向約束，在基底面豎向約束。

2.4 初始條件

初始地應力場僅考慮自重應力場。荷載主要為圍巖自重荷載和開挖時圍巖釋放的應力荷載。

3 計算結果分析

3.1 初始應力場

該數(shù)值模擬計算中，初始地應力場僅考慮自重應力場。由計算可知：地下廠房區(qū)水平向應力在-1.8 MPa左右，鉛直向應力-5.3 MPa左右。實測資料中地下廠房區(qū)鉛直向應力為-4.3～-5.6 MPa?？梢姵跏紤δM結果與實測資料基本相符。計算范圍內(nèi)巖體分布形狀為兩端薄中間厚，巖體厚的地方豎直向應力略大于巖體薄的地方，洞室群所在范圍水平向應力線近似水平分布。

3.2 開挖后圍巖變形

圍巖變形情況見圖1和圖2，為開挖后圍巖水平向（x向）、鉛直向（y向）位移圖。表1給出了洞周部分點的位移值。頂拱給出的是豎直線位移，邊墻給出的是水平向位移。

圖1 無支護工況圍巖水平向位移圖（m）

圖2 無支護工況圍巖鉛直向位移圖（m）

表1 洞周圍部分點位移值（mm）

由于開挖荷載釋放，圍巖向洞內(nèi)變形，總體上表現(xiàn)為頂拱下凹變形和底板拱起及邊墻內(nèi)鼓變形，圍巖垂直向變形比水平向變形大，主廠房上下游測變形是基本對稱的，上、下游側變形量基本一致；主變洞與尾水閘門井變形則略有偏轉，下游側變形大于上游側變形，這是由水平向應力不同所致。

3.3 開挖后圍巖應力

圍巖應力圖，分別見圖3～圖4。表2給出了洞周部分點的水平向與鉛直向應力值。

圖3 無支護工況水平方向應力圖（Pa）

圖4 無支護工況鉛直方向應力圖（Pa）

表2 無支護工況洞周圍部分點應力值（MPa）

由圖可知，主拉應力主要出現(xiàn)在主廠房、主變洞頂拱中部和底板中部，最大主拉應力值為1.4 MPa，位于主廠房和主變洞底板中部。在主廠房、主變洞、尾水閘門井拱腳和邊墻腳均有較大的壓應力集中現(xiàn)象，主壓應力最大值約22 MPa，出現(xiàn)在主廠房洞底部角點，但沒有超過圍巖的平均飽和抗壓強度（50 MPa）。

3.4 塑性屈服區(qū)

開挖后，主廠房在邊墻腳、底板中部及拱角產(chǎn)生了塑性屈服區(qū)，最大屈服深度約9 m，同樣在主變洞邊墻腳及底板中部、尾水閘門角點也產(chǎn)生一定深度的屈服區(qū)，最大屈服深度分別為6 m、2 m，但主廠房與主變洞之間巖柱、主變洞與尾水閘門井之間巖柱均未發(fā)生塑性貫通。

4 結語

文中利用ansys對地下洞室開挖進行有限元計算，得出以下結論：

1）主廠房和主變室開挖后，圍巖向洞內(nèi)變形，且以豎向變形為主，主廠房上下游墻變形基本為對稱變形，頂拱變形略大于底板變形。主廠房最大豎向變形發(fā)生在頂拱，值約為21 mm，主變洞頂拱最大豎向位移為16.4 mm，尾水閘門井頂拱最大豎向位移為6.7 mm，主廠房邊墻最大水平位移為5.6 mm，主變洞邊墻最大變形為3.1 mm，尾水閘門井邊墻最大變形為4.3 mm。

2）圍巖開挖無支護情況下，在拱腳和邊墻腳有較明顯的壓應力集中現(xiàn)象，但應力值沒有超過圍巖抗壓強度。

3）洞室開挖后，在三個主洞室邊墻產(chǎn)生較大范圍的塑性屈服，但各洞室間巖柱沒有塑性屈服貫通。

4）圍巖整體穩(wěn)定性可以滿足，但在拱腳、邊墻角、底板局部發(fā)生塑性屈服的區(qū)域，需采取相應支護處理措施，以保證局部穩(wěn)定性。

［1］徐芝綸.彈性力學簡明教程［M］.北京：高等教育出版社，2000：87-91.

［2］李圍，葉裕明.ANSYS土木工程應用實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2007：51-59.