李麗君,馬 彬

(1. 新疆塔里木河流域干流管理局,庫爾勒 841000;2. 西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,西安 710054)

0 前 言

中國水電資源主要集中于西部高山峽谷地區(qū),受地形條件限制,引水發(fā)電系統(tǒng)一般采用大尺寸的地下洞室群[1-2]。西部深切峽谷地區(qū)往往賦存地應(yīng)力較大,加之地下洞室開挖斷面大,圍巖的變形控制及支護措施就成為施工關(guān)鍵問題。

諸多專家學(xué)者就地下廠房洞室的穩(wěn)定性分析和支護問題進行了深入研究。何少云等[3]模擬計算了地下廠房由上向下分層開挖時圍巖應(yīng)力變化情況。高凱等[4]經(jīng)FLAC3D模擬軟件研究了地下洞室開挖及支護后圍巖的應(yīng)力場、應(yīng)變場等變化特征。李冬冬等[5]依托地下廠房工程,從細觀角度研究了局部圍巖損傷、破壞的力學(xué)機制。段濤等[6]研究了圍巖變形規(guī)律、特性和原因,提出了為穩(wěn)定圍巖采取的工程措施。王旭等[7]結(jié)合隧道工程廠區(qū)巖體賦存環(huán)境,進行了考慮卸荷速率的砂巖分級卸荷力學(xué)特性試驗。錢軍剛等[8]進行了施工開挖仿真分析,綜合判斷圍巖的變形規(guī)律、應(yīng)力狀態(tài)、塑性區(qū)分布等。LI Biao等[9]分析了開挖卸荷引起的圍巖時空損傷特征。楊東升等[10]基于BIM技術(shù)結(jié)合地下洞室開挖施工特點,提出了一套適合現(xiàn)場技術(shù)人員的關(guān)鍵塊體分析方法,可對復(fù)雜施工現(xiàn)場進行快速響應(yīng)。李繼成等[11]依托白鶴灘水電站地下洞群,利用3DEC軟件對陡傾結(jié)構(gòu)面控制下的左岸尾調(diào)室進行數(shù)值模擬,結(jié)果表明陡傾結(jié)構(gòu)面對拱頂圍巖變形有關(guān)鍵影響。黃鵬等[12]針對地下洞群開挖過程中巖體力學(xué)參數(shù)的確定問題,提出了一種考慮巖體松弛程度及地質(zhì)信息的優(yōu)化算法。李鵬等[13]結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測、有限元分析及塊體理論對緩傾圍巖分類提出了建議。朱維申等[14]依托小浪底水利樞紐地下廠房工程,分析對比了開挖、支護工況下的圍巖穩(wěn)定性。冉隆田等[15]結(jié)合彭水水電站地下主廠房特殊的布置方式,通過地質(zhì)建模計算對主廠房變形控制給出了建議。

分析發(fā)現(xiàn)對電站地下廠房開挖過程的圍巖變形和支護措施進行研究,是普遍采用的安全保障措施。加之,主廠房寬度大、地質(zhì)條件復(fù)雜、安全問題突出、施工干擾強,其開挖與支護是整個地下廠房系統(tǒng)的核心。基于此,本文以和靜電站地下主廠房為研究對象,通過數(shù)值模擬手段,研究地下硐室開挖卸荷變形特征和支護措施有效性,為指導(dǎo)圍巖穩(wěn)定與變形控制提供依據(jù)。

1 工程概況

和靜抽水蓄能電站位于新疆和靜縣境內(nèi),地處深山峽谷區(qū)。圍巖巖性主要為凝灰?guī)r。巖體多呈次塊狀～塊狀,主要為微風(fēng)化～新鮮巖體,圍巖初步分類為Ⅱ～Ⅲ1類,易于蓄集較高的應(yīng)變能,地應(yīng)力值相對較高。廠房區(qū)內(nèi)地應(yīng)力測值最高為σ1=36.43 MPa,σ2=29.80 MPa,σ3=22.32 MPa。σ2的方向與硐軸向大角度相交,由于開挖卸荷作用,不利于邊墻穩(wěn)定。主廠房平均垂直埋深530 m,主廠房共分9層開挖,安裝6臺機組,總裝機容量為2 100 MW。開挖斷面尺寸巖錨梁以上跨度為29.2 m,巖壁吊車梁以下跨度為25.8 m,最大高度37.5 m?？傞L度為224.4 m,廠房頂拱高程1 730.50 m,廠房底板高程為1 693.00 m,模型布置3個測點,分別為拱頂,拱頂與上下游邊墻交接部位,主廠房施工順序如圖1所示。

圖1 主廠房施工順序

2 計算條件

2.1 計算模型

圍巖力學(xué)性質(zhì)較好,巖層為緩傾角,且廣房橫截面相對于縱向長度較短,假定圍巖不產(chǎn)生縱向位移,只計算其橫向位移。將問題簡化為二維平面應(yīng)變問題進行分析。斷層采用Interface單元進行模擬。模型的邊界頂部范圍為3倍洞高,底部為3倍洞高,左、右均為5倍洞寬。模型采取邊界荷載調(diào)整法施加地應(yīng)力,即通過不斷調(diào)整邊界荷載的分布方式,使得測試點的地應(yīng)力大小與實測差值最小,并將這種狀況下的荷載組合作為該模型的地應(yīng)力場 。橫型左、右邊界限制y向位移,底部限制z向位移。圖2為數(shù)值計算模型網(wǎng)格。

圖2 數(shù)值計算模型網(wǎng)格

地下廠房區(qū)無大型區(qū)域斷裂穿過,經(jīng)開挖揭示,主要發(fā)育一些次級小斷層、擠壓破碎帶以及節(jié)理裂隙。廠橫0+083.80 m段發(fā)育2條斷層,圍巖類別Ⅲ2,斷層走向為N30° E/SE∠60°和N50～80° W/NE∠50～70°,斷層多為層間擠壓帶,產(chǎn)狀以層面產(chǎn)狀為主,擠壓破碎帶內(nèi)多充填碎裂巖、碎片巖,少量碎粉巖,擠壓緊密,帶寬以0.01～0.1 m為主,部分厚度較大,最厚可達0.5～0.6 m。

2.2 計算參數(shù)

主廠房開挖方案(以Ⅲ1類圍巖處斷面為例),總體分9步開挖,第1步完成拱頂部分開挖,第2～9步主要完成邊墻部分開挖。巖體和斷層力學(xué)參數(shù)見表1,計算采用的是彈塑性本構(gòu)模型,屈服準則采用的摩爾庫倫準則。主廠房基本支護參數(shù)為頂拱采用直徑32 mm預(yù)應(yīng)力錨桿,長度9 m,間排距1.5 m×1.5 m;采用直徑150 mm 預(yù)應(yīng)力錨索,間排距4.5 m×4.5 m,長度25 m。邊墻采用直徑150 mm預(yù)應(yīng)力錨索,間排距6.0 m×6.0 m。拱座、端墻、邊墻錨桿支護參數(shù)與頂拱相同。錨桿預(yù)應(yīng)力為100 kN,錨索預(yù)應(yīng)力為1 500 kN。頂拱噴C25混凝土20 cm,掛網(wǎng)直徑8@15 cm×15 cm。側(cè)墻及端墻噴C25混凝土20 cm,掛網(wǎng)直徑8@15 cm×15 cm。依據(jù)主廠房開挖支護方案,為對比分析開挖與支護后圍巖變形特征,模擬計算選取2個概化工況,工況1為分步開挖,不支護;工況2為分步開挖,及時支護,即開挖計算平衡后立即進行支護計算。

表1 巖體和斷層物理力學(xué)參數(shù)

3 開挖工況圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 變形分析

圖3、4為開挖工況下位移分布云圖。由圖可知,總體變形趨勢表現(xiàn)為指向廠房臨空面方向,在開挖拱頂部分后下沉較為明顯,主要由于拱頂附近巖體內(nèi)存在F1、F2斷層交接面,且存在地層分界面而造成的。隨著開挖進程,頂拱下沉變化逐漸趨于平緩,至開挖完成后,最終下沉量約為20 cm,底板回彈較小,約為6 cm。頂拱與邊墻交接處上游最終水平位移約為6.8 cm,下游約為7.3 cm,上游邊墻水平位移有較為明顯剪切錯動變形特征。分析認為邊墻剪切錯動變形與F1、F2斷層有較大關(guān)系,斷層與邊墻大角度相交,由于開挖卸荷、應(yīng)力調(diào)整,高地應(yīng)力條件下卸荷作用使得斷層力學(xué)參數(shù)不斷劣化,致使斷層上下盤的巖體產(chǎn)生滑移,變形的不均勻,從而致使邊墻出現(xiàn)剪切錯動特征。

圖3 開挖工況垂直位移場 單位:cm

圖4 開挖工況水平位移場 單位:cm

3.2 塑性區(qū)分析

圖5為開挖工況下塑性區(qū)域分布圖。由圖5分析可知,主廠房開挖過程中,除拱頂和邊墻部分區(qū)域為拉剪破壞外,圍巖以剪切破壞為主。開挖至邊墻部位后,受主廠房高邊墻特征影響,邊墻效應(yīng)逐漸凸顯,塑性區(qū)大部分位于左右邊墻附近,塑性區(qū)深度增加。

圖5 開挖工況塑性分布區(qū)域

綜合分析開挖過程中洞周部分的塑性分布區(qū)域可知,頂拱塑性區(qū)最大深度約為12 m,上游側(cè)邊墻最大深度為18 m,下游側(cè)最大深度為16 m,上游側(cè)略大于下游側(cè)。

3.3 應(yīng)力分析

圖6為開挖工況下最小主應(yīng)力云圖。由圖6可知,頂拱開挖后,拱頂部位出現(xiàn)了拉應(yīng)力,約為1 MPa,隨著開挖進行拉應(yīng)力值先降低,隨后增加。在開挖至端墻附近時開始增加,在開挖結(jié)束拉應(yīng)力增大至約1.5 MPa,主要的應(yīng)力集中區(qū)域為洞周附近巖體。最小主應(yīng)力σ3min分布主要受斷層展布影響,具有一定的不對稱性。在斷層F2上部應(yīng)力集中區(qū)域分布范圍深,下部分布范圍淺,有沿F2斷層持續(xù)加深的趨勢。

圖6 開挖工況最小主應(yīng)力

4 支護工況圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果

4.1 變形分析

圖7、8為支護工況下位移分布云圖。對比各支護進程的位移云圖發(fā)現(xiàn),支護工況下位移云圖分布發(fā)生變化,位移分布區(qū)域面積有所減小,最大位移區(qū)域零散分布于洞周。拱頂最大垂直位移為14 cm,降幅達30%;頂拱與邊墻交接處上游水平位移約為4.2 cm,下游約為4.6 cm,降幅分別為32%和37%,剪切錯動變形趨于平緩?？梢娫谥ёo措施影響下,圍巖變形得到抑制,抵抗變形能力加強,支護效果較為明顯。

圖8 支護工況水平位移場 單位:cm

4.2 塑性區(qū)分析

圖9為支護工況下塑性區(qū)域分布云圖。對比分析開挖工況與支護工況塑性區(qū)分布可知,整體上以剪切破壞為主。支護后塑性區(qū)深度降低,范圍減小。頂拱塑性區(qū)最大深度約為8 m,上游側(cè)邊墻最大深度為13 m,下游側(cè)最大深度為12 m,分別降低了約34%、27%、25%,主廠房高邊墻效應(yīng)緩解。塑性區(qū)深度在錨索長度控制范圍內(nèi),圍巖穩(wěn)定性較好。此外,在開挖支護工況下,圍巖受擾動較小,破壞區(qū)域相對于開挖工況下減小,然而塑性區(qū)有向F1及F1和F2夾持區(qū)域延伸擴展的趨勢,仍需關(guān)注區(qū)塊圍巖穩(wěn)定問題。

圖9 支護工況塑性區(qū)域

4.3 應(yīng)力分析

圖10為支護工況下最小主應(yīng)力分布云圖。對比分析開挖工況與支護工況下最小主應(yīng)力分布云圖可知,整體上兩種工況應(yīng)力場分布規(guī)律基本相同。隨著開挖步數(shù)的增加,邊墻交接部位為拉應(yīng)力較容易出現(xiàn)部位,尤其開挖輪廓與F1、F2斷層相交部位更為明顯。圍巖的壓應(yīng)力集中得以釋放,應(yīng)力水平逐漸降低。開挖完成最小主應(yīng)力開始衰減。支護工況拱頂最小主應(yīng)力σ3min約為-4.7 MPa,拱頂與邊墻交接部位上游側(cè)約為-3.3 MPa,下游側(cè)約為-4.3 MPa,均為壓應(yīng)力。表明開挖支護后應(yīng)力場得到改善,圍巖承載能力逐步增強。

5 有無支護方案監(jiān)測點對比分析

頂拱及上、下游邊墻監(jiān)測點垂直位移如圖 11所示。由圖11可知,拱頂由于開挖失去下部巖體的支撐作用,在重力的作用下隨開挖的進行垂直方向的位移向下,支護前的最大豎向位移為-18.6 cm,支護后降至-14.5 cm,支護措施有效抑制了拱頂巖體的變形。邊墻巖體由于開挖卸荷的影響,垂直位移向上,且受斷層的影響,下游側(cè)邊墻變形大于上游側(cè)。

圖12 頂拱及上、下游邊墻水平位移隨開挖期變化

頂拱及上、下游邊墻監(jiān)測點水平位移如圖 12所示。拱頂處圍巖水平位移較小,在支護后僅有0.39 cm。在第5步開挖時開挖至上、下游邊墻的監(jiān)測點處,因此出現(xiàn)了較大的變形,上、下游邊墻均向開挖臨空面變形,支護后上游邊墻的水平位移減小了約1 cm,由于下游側(cè)邊墻更靠近斷層,其變形由斷層主控,因此支護后水平位移僅減小了0.15 cm,錨桿、錨索支護效果不明顯,應(yīng)考慮加強邊墻附近斷層的支護措施如灌漿等。

6 結(jié) 論

本文依托和靜抽水蓄能電站主廠房開挖工程,采用數(shù)值模擬手段,對開挖過程中圍巖變形與支護效果進行了分析與探討,主要結(jié)論如下:

(1) 頂拱附近巖體內(nèi)存在兩斷層面交接部位,且存在地層分界面而造成拱頂下沉比較明顯。開挖工況最終下沉量20 cm左右,支護工況最大下沉量14 cm,降幅達30%,圍巖變形能力降低。

(2) 圍巖以剪切破壞為主,拱頂和邊墻小部分區(qū)域為拉剪破壞,受高邊墻特征影響塑性區(qū)大部分位于左右邊墻附近,拱頂、上游側(cè)邊墻、下游側(cè)邊墻,支護工況塑性區(qū)深度較開挖工況分別降低了約34%、32%、37%,緩解了高邊墻效應(yīng)。

(3) 最小主應(yīng)力σ3min的正值(拉應(yīng)力)分布與F1、F2斷層展布情況關(guān)系密切,主要位于邊墻附近,有沿F1斷層持續(xù)發(fā)展的趨勢。支護工況應(yīng)力集中得以釋放,應(yīng)力水平逐漸降低,拱頂、拱頂與邊墻交接處最小主應(yīng)力σ3min變?yōu)樨撝?壓應(yīng)力),圍巖應(yīng)力場逐步得到改善,承載能力得到增強。