(遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程概況

勝利水電站位于新賓縣勝利村境內(nèi)的蘇子河上，是遼寧省規(guī)劃的蘇子河梯級(jí)開發(fā)中的最后一級(jí)[1]。壩址位于蘇子河上游的峽谷段內(nèi)，河道呈彎曲的“S”形，總體為右凸岸，坡度為40°～45°，有殘存的Ⅲ級(jí)基座階地，高程為320.00～341.20m，河床覆蓋層厚5～16m。勝利水電站開發(fā)方式為河床式。電站設(shè)計(jì)裝機(jī)總?cè)萘繛?4100kW，多年平均發(fā)電量3454萬kW·h。水庫校核洪水位(P=1%)148.07m；設(shè)計(jì)洪水位(P=3.33%)146.78m；正常蓄水位146.00m；死水位145.40m；P=1%洪水相應(yīng)下游水位144.39m；P=3.33%洪水相應(yīng)下游水位143.24m；正常蓄水位情況下尾水位139.29m；電站發(fā)電最大水頭7.33m；額定水頭6.10m。工程設(shè)計(jì)庫容為6.98億m3。勝利水電站是一座以發(fā)電為主，兼具防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的Ⅳ等大型水利樞紐工程。

勝利水電站地下發(fā)電廠房位于大壩左岸，其地質(zhì)構(gòu)造主要是原生構(gòu)造、斷裂構(gòu)造以及褶皺構(gòu)造。其中，斷裂構(gòu)造主要為斷層、裂隙和節(jié)理以及層內(nèi)和層間錯(cuò)動(dòng)帶，構(gòu)造變形形式和構(gòu)造組合相對(duì)比較簡(jiǎn)單。由于地下廠房屬于跨度較大的地下洞室結(jié)構(gòu)，構(gòu)造合適的數(shù)學(xué)模型對(duì)圍巖變形進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬，并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)警研究，對(duì)保證施工安全具有重要意義[3]。對(duì)勝利水電站的地下洞室開挖支護(hù)工程而言，由于地下廠房位于高應(yīng)力區(qū)域，在開挖過程中出現(xiàn)了大量掉塊、片幫以及結(jié)構(gòu)面劈裂等圍巖卸荷現(xiàn)象，因此，對(duì)圍巖變形破壞進(jìn)行預(yù)警十分重要。

2 基于強(qiáng)度折減法的圍巖安全系數(shù)

2.1 計(jì)算模型的構(gòu)建

利用FLAC3D有限差分軟件，建立勝利水電站地下廠房的地質(zhì)概化模型(見圖1)，對(duì)地下廠房的開挖和支護(hù)過程進(jìn)行模擬，建立地下廠房的數(shù)值模擬系統(tǒng)[4]。網(wǎng)格單元采取六面體八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，整個(gè)模型共劃分為687940個(gè)計(jì)算單元、754938個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。水電站的地下主副廠房需要分十次開挖，限于文章的篇幅，本次研究?jī)H列出對(duì)第Ⅷ層開挖支護(hù)過程中的圍巖安全系數(shù)的分析研究成果。

圖1 地下廠房三維地質(zhì)模型

2.2 強(qiáng)度折減法的基本原理

張黎明等學(xué)者針對(duì)莫爾-庫侖材料進(jìn)行研究，確定了求解安全系數(shù)的方法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[5]：

(1)

式中Ftr——圍巖安全系數(shù)；

τ——破壞面上的實(shí)際滑動(dòng)力；

s——滑裂面上的抗剪強(qiáng)度。

FLAC3D強(qiáng)度折減法不僅可以模擬巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用，也可以對(duì)圍巖巖體變形的逐步發(fā)展進(jìn)行模擬，同時(shí)在進(jìn)行安全系數(shù)的求解時(shí)并不需要對(duì)圍巖滑動(dòng)面的形狀進(jìn)行事先假定和條件劃分，與傳統(tǒng)的安全系數(shù)求法相比具有一定的優(yōu)勢(shì)[6]。強(qiáng)度折減法的基本原理為：安全系數(shù)計(jì)算過程中不斷降低巖體的強(qiáng)度指標(biāo)，利用折減后的參數(shù)代替原參數(shù)計(jì)算圍巖的穩(wěn)定性，通過反復(fù)折減操作，直至圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時(shí)利用式(1)獲得的安全系數(shù)即為地下廠房的安全系數(shù)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于圍巖的穩(wěn)定性存在較多的影響因素，因此在判別標(biāo)準(zhǔn)方面也尚未形成統(tǒng)一的意見。本次研究中結(jié)合勝利水電站地下洞室的具體情況，認(rèn)為地下廠房達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)將會(huì)發(fā)生位移突變，從而使能夠正常收斂的計(jì)算過程不再具有收斂性。因此，研究中將上述指標(biāo)作為廠房失穩(wěn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 地下廠房圍巖變形破壞安全系數(shù)的計(jì)算

在利用強(qiáng)度折減法進(jìn)行圍巖安全系數(shù)計(jì)算過程中，確定首項(xiàng)1.0、公差為0.25的等差數(shù)列進(jìn)行圍巖強(qiáng)度折減。在計(jì)算過程中一旦發(fā)生位移和應(yīng)力值的突變，就減小折減系數(shù)的變幅[7]。計(jì)算過程顯示，折減系數(shù)從1.0到2.0，就可以實(shí)現(xiàn)圍巖變形直至破壞的全過程的反映，最終獲得折減系數(shù)和圍巖強(qiáng)度參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果見表1。

表1 折減系數(shù)與圍巖強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算結(jié)果

在不同折減系數(shù)下，對(duì)勝利水電站地下廠房特征點(diǎn)的位移進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。由表2可知，勝利水電站地下廠房頂拱的沉降量以及巖梁的水平位移均隨著折減系數(shù)的增加而增大。具體而言，折減系數(shù)由1.0增加到1.75時(shí)，拱頂?shù)某两盗坑?05.68mm逐漸增大到109.85mm，而巖梁的水平位移則由58.70mm逐漸增大到64.24mm，在這一過程中，變形量雖然呈現(xiàn)出增大的態(tài)勢(shì)，但是增加的幅度并不大。但是，當(dāng)折減系數(shù)大于1.75時(shí)，兩個(gè)特征點(diǎn)的位移量增加速率迅速增加，當(dāng)折減系數(shù)為1.95時(shí)，拱頂?shù)某两盗垦杆僭龃蟮?49.22mm，而巖梁的水平位移也迅速增大到80.21mm。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，此時(shí)地下廠房的變形量已經(jīng)達(dá)到警戒值，可能會(huì)誘發(fā)大范圍的圍巖破壞并造成廠房的整體破壞，因此，地下廠房的安全系數(shù)應(yīng)該設(shè)定為1.75。

表2 不同折減系數(shù)下地下廠房特征點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果 單位：mm

3 圍巖破壞預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)研究

圍巖的變形速率趨于變小并最終趨向于0是圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的重要表征，而圍巖的變形速率不斷增大則是圍巖失穩(wěn)的重要表征。因此，國內(nèi)外對(duì)圍巖穩(wěn)定的判別標(biāo)準(zhǔn)就以此為重要依據(jù)[8]。在工程技術(shù)應(yīng)用中，地下洞室圍巖穩(wěn)定性的判斷依據(jù)主要有兩個(gè)，一是圍巖的變形速率，二是圍巖的變形值。一般認(rèn)為地下洞室的圍巖變形速率或者變形值超過某一閾值，即認(rèn)為圍巖的巖體就處于不穩(wěn)定狀態(tài)，即將發(fā)生失穩(wěn)破壞。為了能夠準(zhǔn)確、系統(tǒng)地反映地下洞室的圍巖穩(wěn)定狀態(tài)，做好地下洞室工程施工的圍巖穩(wěn)定預(yù)警工作，需要綜合運(yùn)用位移速率、位移加速度以及位移量。

結(jié)合文本研究對(duì)象的實(shí)際情況，確定勝利水電站地下廠房圍巖失穩(wěn)破壞的兩個(gè)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，為今后類似工程建設(shè)中的設(shè)計(jì)和施工提供一定的理論指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。具體確定思路如下：根據(jù)相關(guān)學(xué)者的理論研究和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，地下洞室結(jié)構(gòu)的圍巖失穩(wěn)破壞可以劃分為初期變形階段、平穩(wěn)發(fā)展階段以及加速變形階段。在初期變形階段和平穩(wěn)發(fā)展階段，圍巖的位移變形處于勻速狀態(tài)，變形量變化較小，意味著地下洞室結(jié)構(gòu)處于相對(duì)安全狀態(tài)；當(dāng)?shù)叵露词覈鷰r進(jìn)入加速變形階段時(shí)，圍巖的位移變形量迅速增大，說明地下洞室圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要引起相關(guān)人員的重視并進(jìn)行報(bào)警；如果圍巖變形進(jìn)一步呈現(xiàn)出持續(xù)加速變化狀態(tài)時(shí)，就需要采取有效保護(hù)措施，防止地下洞室坍塌等施工事故的發(fā)生。由此可見，對(duì)于地下洞室結(jié)構(gòu)的破壞預(yù)警，掌握圍巖加速變形時(shí)的數(shù)據(jù)極為關(guān)鍵，并認(rèn)為當(dāng)圍巖變形量大于加速變形階段的起始值時(shí)，即為預(yù)警預(yù)報(bào)的最佳時(shí)機(jī)。

利用上節(jié)構(gòu)建的模型和計(jì)算方法，對(duì)勝利水電站左岸地下廠房的頂拱與巖梁兩個(gè)特征點(diǎn)最大變形的累積位移和變形速率進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)結(jié)合與之相對(duì)應(yīng)的開挖施工高度和測(cè)線長度，得到加速變形階段的相對(duì)變形速率和變形值，并基于上文分析，獲得圍巖破壞預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 圍巖破壞預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié) 語

本文利用構(gòu)建的數(shù)值模型，利用折減系數(shù)法對(duì)勝利水電站地下廠房開挖過程中的圍巖破壞安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算研究，結(jié)合勝利水電站地下廠房圍巖變形特點(diǎn)，建立地下廠房圍巖變形的FLAC3D地質(zhì)概化模型；利用折減系數(shù)法對(duì)勝利水電站地下廠房圍巖破壞安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，獲得圍巖破壞安全系數(shù)為1.75；根據(jù)計(jì)算成果提出了勝利水電站地下廠房圍巖變形破壞的兩個(gè)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。本文確定的圍巖破壞預(yù)警的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可為相關(guān)工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中的安全預(yù)警體系提供理論支持和技術(shù)參考。