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1、某抽蓄电站地下厂房洞室群开挖支护过程中围岩稳定性分析 刘坤 刘晓青 刘庆晶 河海大学水利水电学院 摘 要： 某大型抽水蓄能电站的地下厂房洞室群结构复杂, 地质结构特殊, 安全问题突出, 需评价其在开挖支护过程中围岩的稳定性。为此, 采用弹塑性有限元法, 建立三维模型, 使用自编程序 Gehomadrid, 根据开挖方案, 通过不断调整模型中单元的存在状态, 真实、有效地模拟了开挖支护过程, 得到了开挖支护过程中围岩位移、应力、塑性区以及支护受力等结果。研究成果可为该工程设计、施工提供指导意见, 也可为同类工程提供参考。关键词： 抽水蓄能电站; 地下厂房洞室群; 分期开挖; 断层; 围岩稳定;
2、作者简介：刘坤 (1993-) , 男, 硕士研究生, 研究方向为水工结构, E-mail:作者简介：刘晓青 (1965-) , 女, 教授, 研究方向为结构与流体静动相互作用, E-mail:收稿日期：2017-07-09基金：水利部公益性行业科研专项经费项目 (201501033) Stability Analysis of Surrounding Rock during Excavation and Support Process of Underground Powerhouse for Pumped Storage Power StationLIU Kun LIU Xiao-qing
3、 LIU Qing-jing College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University; Abstract： The underground powerhouse caverns of a certain large pumped storage power station has characteristics of complex structure, special geological structure and serious safety problem.So, it is necessary
4、 to study the stability of surrounding rock during excavation and support process.Therefore, a three-dimensional model was established based on elastic-plastic FEM.According to the excavation plan, self-written program Gehomadrid was used to effectively simulate the excavation and support process by
5、 adjusting the state of elements in the model.Finally, the results of displacement, stress, plastic zone of surrounding rock and force of supporting structure in the process of excavation and support were obtained.This study can provide the guidance for design and construction of the project as well
6、 for the construction of similar projects.Keyword： pumped storage power station; underground powerhouse; staged excavation; fault; surrounding rock stability; Received： 2017-07-091 工程概况福建省某大型抽水蓄能电站 (一等大 (1) 型) 总装机容量为 1 200 MW, 地下厂房洞室群主要包括主副厂房、安装间、主变洞、尾水事故闸门洞、母线洞、进场交通洞、交通电缆洞、尾水洞等。厂房的洞轴线方向为 N23W, 厂房 (
7、包括主副厂房和安装间) 、主变洞、尾闸洞三大洞室平行布置。厂房 (岩梁以下) 和主变洞之间以及主变洞和尾闸洞之间的岩柱厚度分别为 40、30m。厂房内安装 4 台单机容量为 300 MW 的水轮机组, 采用单机单管引水方式, 机组中心间距为 25 m, 厂房洞室尺寸为 170.0 m24.5 m55.5 m (长宽高) ;主变洞位于主厂房下游侧, 洞室尺寸为 165.00m19.00m22.65m (长宽高) , 厂房与主变洞间设 4 条母线洞、1 条进场交通洞和 1 条电缆交通洞;尾闸洞开挖尺寸为 106.50 m8.00m18.00m (长宽高) 。该地下厂房洞室围岩主要为微风化新鲜钾长花
8、岗岩, 局部发育辉绿岩脉、石英脉。围岩总体以、类为主, 少量类, 水文地质条件较好, 洞室群上覆弱、微风化岩体厚为280375m。厂房区的断层有 23 条, 主要类型为岩块岩屑型。其中级结构面20 条, 级结构面 3 条。各结构面的力学性质大多呈压性、压扭性, 陡倾角。其中以 f52、f 61、f 67这三条断层规模最大, 延伸长, 宽 0.300.60m, 与厂房轴线呈大角度相交。根据洞室群规模及施工组织设计, 厂房洞分 7 层开挖, 主变洞和尾闸洞分 3 层开挖, 整个开挖工程分 7 期进行, 各期开挖情况见表 1。洞室群开挖分层示意图见图 1。表 1 洞室群各期开挖段统计表 Tab.1
9、Statistical table of excavation section during each stage of excavation 下载原表 由于该抽水蓄能电站在开挖过程中结构效应明显, 为保证水电站的稳定运行, 需对地下厂房洞室群进行安全评价。采用弹塑性有限元法, 使用自编程序Gehomadrid, 根据分期施工的开挖支护方案进行数值模拟, 分析开挖过程中围岩位移、应力、塑性区及锚杆应力等情况, 然后评价该地下厂房洞室群的安全稳定性, 以期为该工程的设计、施工提供指导。图 1 厂房洞室群开挖分层示意图 (单位:m) Fig.1 Schematic diagram of leyer
10、ed excavation of powerhouse caverns 下载原图2 计算模型与开挖支护模拟2.1 模型建立对主副厂房、安装间、主变洞、母线洞、进场交通洞、交通电缆洞、尾水管、尾闸室和闸门井及周围岩体建立有限元三维模型。整个洞室群长约 177m, 宽约123m, 高约 57.8m。计算区域为以洞室群为中心, 向长度和宽度方向各延伸 2倍的距离, 高度方向向上延伸至地表, 向下延伸 2 倍的高度。计算区域内考虑3 条较大的断层结构面 f52、f 61和 f67。整体网格模型见图 2 (a) , 地下厂房洞室群网格模型见图 2 (b) , 地下厂房洞室群与附近断层的空间位置关系见图
11、2 (c) 。模型的 x 轴垂直于厂房轴线, y 轴平行于厂房轴线, z 轴为竖直向。断层采用六节点棱柱体单元, 其余部分均采用四节点四面体单元, 总计为 275 885个节点, 1 522 962 个单元。图 2 三维有限元模型 Fig.2 Three-dimensional finite element model 下载原图2.2 Gehomadrid 程序对开挖支护的模拟Gehomadrid 程序利用运行块的概念模拟施工开挖各期, 开挖的每一期对应一个运行块, 各运行块的有限元模型相互独立。Gehomadrid 程序在每一个运行块计算前都会更新有限元模型, 已开挖的单元不再参与计算, 根
12、据更新后的模型重新构建整体刚度矩阵。模拟开挖卸荷作用的具体原理是将挖除单元的应力释放作为一级荷载增量作用于相邻的围岩单元上, 并求解方程组1。模拟锚杆支护作用的具体原理是采用分离式模型, 将锚杆单元节点作为从节点, 而包围锚杆单元的实体单元节点作为基本节点, 建立两者间的线性插值关系, 实现两者协调变形。计算时以基本节点位移为求解变量, 将包含从节点位移的单元刚度矩阵、单元荷载列阵根据主从节点线性插值关系迭加到总体刚度矩阵和总体荷载列阵中, 其余与常规有限元解法相同。锚杆随开挖的进行逐层施加, 遵循及时支护原则, 每开挖一层考虑该层锚杆支护作用, 并在此后的开挖中持续受力。3 初始地应力场根据
13、位于厂房附近的三维地应力测点位置及主应力大小和方向, 应用有限元多元回归分析法, 反演厂区的初始地应力2,3。以 6 个子应力场为基本应力场, 包括自重应力场、x 向水平挤压应力场、y 向水平挤压应力场、xy 平面水平剪切应力场、yz 平面竖向剪切应力场、zx 平面竖向剪切应力场。通过逐步回归分析, 得到各基本地应力场的回归系数值、回归相关系数及各测点应力与实测值之间的对比关系。反演计算结果与实测数值吻合较好, 在规律上保持一致性。反演结果显示地应力以正应力为主, 切应力较小, 除自重应力外存在较强的构造应力。最大主应力方向为 N3EN20W, 倾角为 1844。厂房轴线方向与最大主应力方向接
14、近平行。沿深度方向, 竖向应力逐步增长, 由于地形上北高南低, 相应地同一高程的厂房区北部应力高于南部应力。水平应力在水平面上分布较均匀, 以南北向水平应力为主。断层附近岩体应力明显偏低。洞室群区域最大主应力约为-10-18 MPa, 中间主应力约为-8-14 MPa, 最小主应力约为-4-10 MPa。总体而言, 应力水平介于-4-18 MPa 之间, 从地应力量值上看, 厂房部位属于低中等地应力场。4 无支护情况下的围岩稳定分析4.1 岩体及结构面的物理力学参数值本工程地下厂房区域围岩以类钾长花岗岩为主。围岩和断层 f52、f 61、f 67的物理力学参数值见表 2 (表中, f 为摩擦系
15、数;c 为岩体凝聚力) 。围岩和断层采用理想弹塑性模型, 屈服准则采用 Mohr-Coulomb 准则4, 断层采用薄层实体单元模拟, 断层与岩体为接触面上共节点的连续体。表 2 岩体及主要断层的物理力学参数值 Tab.2 Physical and mechanical parameters of rock mass and main faults 下载原表 4.2 结果与分析4.2.1 围岩变形分布特征图 3 (a) (d) 分别为 1 母线洞中心剖面、3 尾水洞中心剖面沿 x 方向和 z 方向的位移分布。表 3 为厂房、主变洞、尾闸洞的边墙和顶拱位移的最大值。图 3 位移分布 Fig.3
16、Displacement distribution 下载原图表 3 各洞室边墙和顶拱位移最大值 Tab.3 Maximum displacement on side walls and top arch of caverns 下载原表 由图 3、表 3 可知, 洞室开挖引起的位移变化主要是顶拱沉降、底板回弹、边墙和端墙向洞室内侧变形。跨度对顶拱的变形影响较大, 高度对边墙的变形影响较大。断层对于局部围岩的变形影响较大, 断层与洞室相交处以及断层与断层相交处的位移明显偏大。在母线洞洞口部位应力较高侧形成了较大的环状变形区。断层附近围岩除向洞内变形外, 还存在沿断层面的切向位移。三大洞室顶拱沉降变形基本稳定, 边墙变形处于正常范围内, 最大不超过 25 mm。顶拱的大部分沉降在早期完成, 边墙和端墙的变形则随着开挖的进行而不断增长, 最终趋于稳定, 变形集中在开挖面的中
