張 志

(桓仁西江發(fā)電有限公司,遼寧 本溪 117200)

1 工程概況

勝利水電站屬于遼寧省在蘇子河上規(guī)劃建設的重要水利工程，其壩址位于新賓縣勝利村境內。勝利水電站是蘇子河梯級開發(fā)中的最后一級，是一座以發(fā)電為主，兼具各種綜合功能的大型水利樞紐工程[1]。該工程的設計裝機容量為14 100 kW，設計年發(fā)電量為3454萬kW·h。電站的設計庫容為6.98億m3，設計洪水為30 a一遇，設計水位為146.78 m，校核洪水為100 a一遇，校核水位為148.07 m，水庫的正常蓄水位為146.00 m，死水位為145.40 m[2]。勝利水電站壩址位置位于蘇子河上游的峽谷內，兩岸山高谷深，河道彎曲，“S”型，工程河段總體為右凸岸，坡度較大，平均坡度為40°～45°。勝利水電站的地下發(fā)電廠房位于大壩左岸，其地質構造主要是原生構造、斷裂構造以及褶皺構造[3]。其中，斷裂構造主要為斷層、裂隙和節(jié)理以及層內和層間錯動帶，構造變形形式和構造組合相對比較簡單。由于地下廠房屬于跨度較大的地下洞室結構，且位于高應力區(qū)域，在開挖過程中出現了大量掉塊、片幫以及結構面劈裂等圍巖卸荷現象。因此，研究開挖卸載條件下的危石錨固和加固機制，對地下洞室的安全施工和穩(wěn)定運行具有重要意義。

2 研究方法

2.1 3DEC離散元計算模型

離散單元法(DEM)是當前巖土工程理論研究中的重要方法。該方法認為巖體并不是一個完整的整體，而是被其內部的節(jié)理和裂隙分割成大小不等、形態(tài)各異的巖塊，這些巖塊以鑲嵌的方式排列，通過各種作用力結合在一起，呈現出一種基本的穩(wěn)定狀態(tài)。當巖體受到外力作用的情況下，不僅會造成巖體自身的應力和位移變化，同時巖體內部各個塊體之間的位置以及相互作用也會產生改變[4]。由于該方法將巖體視為若干小塊體組成的整體，因此在對巖體的滑移或旋轉進行模擬方面具有顯著優(yōu)勢，可以大幅提升模擬精度，進而分析巖體工程破壞過程[5]。3DEC是一款以離散單元法為基礎的巖土工程軟件，因此十分適合節(jié)理巖體等內部存在不連續(xù)面的變形與破壞機理研究，在處理這類巖體在外部荷載作用下的靜態(tài)和動態(tài)響應方面具有顯著優(yōu)勢[6]。

2.2 3DEC離散元計算模型的構建

模型以順河向指向下游方向為Z軸正方向，以垂直于Z軸指向右岸的方向為X軸正方向，以豎直向上的方向為Y軸正方向?？紤]模型的邊界效應，X方向長200 m，Y方向長100 m，Z方向長50 m。模型采用正六面體八節(jié)點網格劃分，其中圍巖和廠房部分模型的網格設置為3.0 m，危石部分網格為2.0 m。整個模型共劃分為687 940個計算單元，754 938個計算節(jié)點。模型的網格劃分示意圖如圖1所示。在模型計算過程中，將模型的上表面設置為自由邊界條件，不施加任何約束，對模型的四周按照實際情況設置為法向位移約束，鑒于模型底部基巖十分穩(wěn)定，因此對底面設置各向位移約束[7]。地下廠房的開挖方式為全斷面開挖，開挖的循環(huán)進尺設定為1.0 m。

圖1 計算模型網格劃分示意圖

3 各失穩(wěn)模式下的加固機制模擬研究

3.1 單面滑移失穩(wěn)性危石加固機制

根據相關學者的研究結論，拉伸、拉剪和壓剪破壞是單面滑移失穩(wěn)性危石加固中錨桿的主要破壞形式[8]。研究中設置開挖無支護(工況1)、設置3根受拉錨桿(工況2)以及設置3根受壓剪錨桿(工況3)三種不同的加固工況進行模擬計算。不同工況下的危石總位移以及X向和Y向位移曲線如圖2～圖4所示。由圖2可知，在沒有采取支護措施的情況下，在完全揭露前，危石各個頂點的位移呈為緩慢增長特征。在整體開挖14步之后，位移量呈現出急劇增加的態(tài)勢，在第17步時，位移量已經達到0.1 m。同時，各頂點的位移量和方向基本一致，沒有發(fā)生扭轉變形。由圖3可知，在第13步和第14步分別設置2根和1根受拉錨桿。受到錨桿的作用，位移呈現出緩慢增長態(tài)勢，直至開挖施工完畢，危石的最大位移量為5.6 mm。由圖4可知，在第13步和第14步分別設置2根和1根 壓剪錨桿。受到錨桿的作用，位移呈現出緩慢增長態(tài)勢，直至開挖施工完畢，危石的最大位移量為5.2 mm，其錨固效果和工況2基本相同。

總之，對單面滑移失穩(wěn)性危石加固，設置受拉錨桿或壓剪錨桿進行支護，可以起到基本相似的錨固效果。因此，設置受拉或壓剪錨桿均可。

圖3 工況2危石位移曲線

圖4 工況3危石位移曲線

3.2 雙面滑移型危石加固機制

根據相關學者的研究結論，拉伸、拉剪和壓剪破壞也是雙面滑移失穩(wěn)性危石加固中錨桿的主要破壞形式。研究中設置開挖無支護(工況4)、設置2根受拉錨桿(工況5)、設置兩根受拉剪錨桿(工況6)以及設置2根受壓剪錨桿(工況7)四種不同的加固工況進行模擬計算。不同工況下的危石總位移以及X向和Y向位移曲線如圖5～圖8所示。由圖5可知，在沒有采取支護措施的情況下，危石所有頂點的位移變化基本一致，在16步之前，由于沒有完全揭露前，危石各個頂點的位移呈為緩慢增長特征。之后，位移量呈現出急劇增長的特點，達到1.2 mm，然后位移變化稍微穩(wěn)定，之后又迅猛增長。此外，危石的各頂點的位移量和方向基本一致，沒有發(fā)生扭轉變形。由圖6可知，在第13步設置2根受拉錨桿。受到錨桿的作用，位移呈現出緩慢增長態(tài)勢，直至開挖施工完畢，危石的最大位移量為5.7 mm。從各頂點位移來看，結構面中線臨空點的累積位移量最大，沿邊位移相對較小，局部發(fā)生微小的拉伸變形。由圖7可知，在第13步設置2根拉剪錨桿。受到錨桿的作用，位移呈現出緩慢增長態(tài)勢，直至開挖施工完畢，危石的最大位移量為5.5 mm。從各頂點位移來看，呈現出與工況5類似的特點，說明錨固效果與工況5類似。由圖8可知，在第13步設置2根壓剪錨桿。受到錨桿的作用，位移呈現出緩慢增長態(tài)勢，直至開挖施工完畢，危石的最大位移量為6.1 mm。

圖5 工況4危石位移曲線

圖6 工況5危石位移曲線

圖7 工況6危石位移曲線

圖8 工況7危石位移曲線

3.3 危石錨固優(yōu)化設計

通過上節(jié)的模型計算結果分析可知，對單面滑移型危石，采用受拉或受壓剪作用錨桿，錨固效果基本相同，對雙面滑移型危石，受拉或受拉剪作用錨桿能夠獲得更好地錨固效果。因此，在具體地下廠房洞室施工過程中，應該利用先進的地質勘測手段，確定危石的位置、形態(tài)、主結構面等相關信息，進而確定其失穩(wěn)類型。然后結合本文的計算成果，采取不同的錨固措施。

對于單面滑落型危石，如果施工條件允許，可以設置與危石失穩(wěn)方向垂直的受拉或壓剪錨桿。結合相關工程設計經驗，如果采用壓剪錨桿，在錨桿數量相同的條件下，采用垂直于切向力，多排大間距布設可以獲得更好的抗剪效果，錨固的角度建議在55°～75°之間，具體角度結合危巖的實際情況確定。

對于雙面滑動型危石，如果工程條件允許，可以設置與危巖失穩(wěn)方向垂直的受拉或受拉剪錨桿。

4 結 語

研究中通過建立典型洞室圍巖危石模型，通過數值模擬的方式，對危石的不同錨固方式進行模擬計算，結果顯示，如果施工條件允許，單面滑落型危石可以設置與危石失穩(wěn)方向垂直的受拉或壓剪錨桿；雙面滑動型危石可以設置與危巖失穩(wěn)方向垂直的受拉或受拉剪錨桿。根據本次研究獲得的危石錨固方案優(yōu)化設計結果，可以為勝利水電站危石錨固方面提供有效的理論依據以及錨固施工的具體工程建議，對相關類似工程的施工設計也具有一定的借鑒價值。