袁長安,蘇 超

(1.重慶蟠龍抽水蓄能有限公司,重慶 401452; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

根據(jù)國家電網(wǎng)的優(yōu)化配置需要，我國目前正在興建一批抽水蓄能電站，電站廠房通常為大尺寸的地下洞室群。水電站地下洞室群在開挖過程中洞周圍巖的穩(wěn)定問題一直是工程界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點，近幾年的研究主要包括以下幾個方面：①洞室圍巖的變形規(guī)律[1-2]；②高地應(yīng)力水平對洞室穩(wěn)定的影響及應(yīng)對措施[3-5]；③洞室群圍巖穩(wěn)定分析方法[6-8]；④施工程序、施工仿真及施工方法[9-10]；⑤不同類型圍巖的開裂機理和破壞特征[11-13]；⑥地震荷載作用下洞室的穩(wěn)定[14-15]；⑦洞室圍巖巖爆的模擬與分析[16]；⑧高地溫環(huán)境下巖石特性等[17]。這些研究涉及大型地下洞室群穩(wěn)定的主要問題，采用的計算模型都是包含主廠房、主變室、母線洞及部分引水洞和尾水洞的三維簡化模型，沒有考慮其他洞室開挖對主廠房的影響。本文以蟠龍水電站地下洞室群為研究對象，擬建立包含所有洞室的三維有限元模型，研究洞室群在開挖過程中圍巖的變形機理，并與三維簡化模型計算結(jié)果進行對比，研究不同計算模型對計算結(jié)果的影響，為類似工程的數(shù)值模擬提供參考。

1 工程概況

圖1 1號機組剖面圖(高程單位：m；長度單位：mm)

蟠龍抽水蓄能電站由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫及地面開關(guān)站等建筑物組成，地下廠房系統(tǒng)采用尾部式布置，電站裝機容量為1 200 MW(4×300 MW)，洞室上覆巖體厚度為40～480 m。主廠房開挖尺寸為169.00 m×24.00 m×54.43 m(長×寬×高)，安裝場位于主廠房中部，主變洞開挖尺寸為139.40 m×20.30 m×21.20 m(長×寬×高)，機組剖面圖見圖1。

洞室群主要處于中硬巖和軟巖之中,軟巖層有6層，為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖,軟硬巖相間分布,見圖2(軟巖層4在主廠房上游,圖中沒有標出)。軟巖強度和彈性模量總體偏低,抵抗變形的能力較差,層與層之間連接力弱,基坑開挖后易發(fā)生卸荷回彈,同時軟巖抗風化能力差,暴露在空氣中極易崩解,加之洞室跨度大,存在大型洞室軟巖變形與穩(wěn)定問題。

2 有限元模型

考慮所有洞室的三維有限元模型(簡稱M1模型)計算網(wǎng)格如圖3所示,包括主廠房、主變室、母線洞、主變運輸洞、聯(lián)系廊道、送風機房、排風機房、進廠交通洞、主廠房送風洞、主廠房排風洞、主變室送風洞、主變室排風洞、引水隧洞、尾水隧洞、高壓電纜平洞、高壓電纜豎井、檢修排水廊道、排風豎井、3～6號施工支洞、廠頂錨固洞以及環(huán)繞主廠房和主變室的外圍3層排水兼錨固洞,同時考慮了軟巖等地質(zhì)構(gòu)造。為了與以往計算方案進行比較,建立了只包含主廠房、主變室、母線洞、主變運輸洞、引水洞、尾水洞的三維簡化模型(簡稱M2模型)計算網(wǎng)格如圖4所示。計算采用在巖土工程中應(yīng)用廣泛的有限元通用計算程序ABAQUS,巖石本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb準則,巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 軟巖與廠房關(guān)系示意圖

圖3 考慮所有洞室的有限元三維模型計算網(wǎng)格

圖4 考慮局部洞室的簡化模型計算網(wǎng)格

圍巖類別 密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°) ⅢA類25507.00.230.90045.0ⅢB類25507.50.230.95046.4 Ⅳ類 25004.50.260.35033.0 Ⅳ～Ⅴ類 24603.90.260.30530.9 Ⅴ類 23001.50.300.12521.8

3 主要洞室變形特征

主廠房側(cè)墻以順水流向的水平位移為主,隨著開挖的持續(xù)進行,側(cè)墻的開挖高度不斷增大,側(cè)墻的水平變形也不斷增大,尤其是主廠房上下游邊墻的中部,軟巖層6貫穿處,以及母線洞、主變運輸洞、進場交通洞、引水洞與主廠房上下游邊墻交叉處。開挖結(jié)束后上游墻最大水平位移U2(y方向)為50.18 mm,發(fā)生在下部軟巖層貫穿廠房上游墻部位,主廠房下游墻的最大水平位移U2(y方向)為-36.07 mm,發(fā)生在母線洞與主廠房交叉洞口處,上游墻位移云圖見圖5,下部軟巖層位移云圖見圖6,下游墻的變形規(guī)律與上游墻基本一致。

圖5 開挖結(jié)束后主廠房上游墻順水流向位移云圖

圖6 開挖結(jié)束后下部軟巖層順水流向位移云圖

4 兩種模型計算結(jié)果對比分析

4.1 變形對比

M1和M2模型洞周圍巖變形規(guī)律基本一致。主廠房和主變室上下游邊墻以水平位移為主,頂拱和底板以鉛直向位移為主,而且隨著開挖的進行,洞周圍巖的變形逐漸增大。在主廠房頂拱、巖錨梁及母線洞頂部區(qū)域分別選取5個關(guān)鍵點(圖7),這5個關(guān)鍵點變形隨開挖過程(分7步從上向下開挖)的變化規(guī)律見圖8,上游墻的B、D兩點變形指向下游,下游墻的C、E兩點變形指向上游,頂拱A點的變形鉛直向下。M1模型的上游墻較大水平位移為33.64 mm,發(fā)生在B點(附近有軟巖層3);下游墻較大水平位移為-25.77 mm,發(fā)生在E點,頂拱鉛直向位移為-31.10 mm。M2模型相應(yīng)點上游墻較大水平位移為27.07 mm,下游墻較大水平位移為-21.83 mm,頂拱鉛直向位移為-27.79 mm,通過比較可見,M1模型的整體變形比M2模型大,其中上游墻的水平位移偏差達19.5%。

圖7 洞室關(guān)鍵點位置示意圖

圖8 洞周關(guān)鍵點變形隨開挖過程的變化規(guī)律

4.2 應(yīng)力對比

M1和M2模型洞周圍巖的應(yīng)力云圖分布基本一致,M1、M2模型中相同關(guān)鍵點處的應(yīng)力變化趨勢基本一致。洞室側(cè)墻中部主拉應(yīng)力較大,在主廠房和主變室拱肩部位和側(cè)墻與底板轉(zhuǎn)角部位有主壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。M1模型的最大主壓應(yīng)力為-15.95 MPa,最大主拉應(yīng)力為0.69 MPa。M2模型的最大主壓應(yīng)力為-14.91 MPa,最大主拉應(yīng)力為0.66 MPa。在開挖過程中,主壓應(yīng)力沒有超過圍巖的抗壓強度。通過比較可知，M1模型計算結(jié)果比M2的稍大,最大主拉應(yīng)力偏差為4.55%,最大主壓應(yīng)力偏差為6.52%。

4.3 塑性區(qū)對比

圖9為洞室群開挖完成后主廠房典型截面洞周圍巖塑性區(qū)分布云圖,圖9表明M1和M2模型中的塑性區(qū)分布規(guī)律基本一致,塑性區(qū)主要位于貫穿廠房上下游側(cè)墻的軟巖內(nèi)和拱肩處,且上游墻內(nèi)的塑性區(qū)明顯比下游墻內(nèi)的塑性區(qū)分布范圍大,主廠房和主變室之間沒有貫通的塑性區(qū)。M1模型的塑性區(qū)比M2的塑性區(qū)大,其中M1模型上游墻內(nèi)塑性區(qū)深度達14 m,M2模型上游墻內(nèi)塑性區(qū)深度達11 m,表明M1模型考慮的洞室多,其開挖擾動區(qū)更大,對主廠房、主變室圍巖產(chǎn)生了不利影響。

圖9 開挖完成后主廠房典型截面洞周圍巖塑性區(qū)云圖

5 結(jié) 論

以重慶蟠龍軟巖區(qū)抽水蓄能電站地下洞室群為依托,分別建立包括所有洞室的三維有限元模型和只包含主廠房、主變室等部分洞室的三維簡化模型,采用非線性有限元法,按照施工組織設(shè)計開挖過程對地下洞室群進行了有限元數(shù)值分析。計算結(jié)果表明:包含所有洞室模型的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)均比只包含主廠房、主變室、母線洞等的模型大,其中主廠房上游墻的水平位移差達19.5%,主拉應(yīng)力偏差為4.55%,主壓應(yīng)力偏差為6.52%,主廠房上游墻塑性區(qū)深度相差21.4%。說明主廠房周邊小洞室的開挖會削弱圍巖的整體性,對主廠房洞周圍巖的變形產(chǎn)生一定的影響,建議在進行地下廠房三維有限元分析時有必要考慮不同計算模型的影響，宜選擇包含所有洞室的三維有限元模型。