和靜抽水蓄能電站主廠房開挖卸荷圍巖變形與支護模擬研究

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 建筑與土木工程學院,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,受地形條件限制,引水發電系統一般采用大尺寸的地下洞室群[1-2]。西部深切峽谷地區往往賦存地應力較大,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鍵問題。

諸多專家學者就地下廠房洞室的穩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力變化情況。高凱等[4]經FLAC3D模擬軟件研究了地下洞室開挖及支護后圍巖的應力場、應變場等變化特征。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、破壞的力學機制。段濤等[6]研究了圍巖變形規律、特性和原因,提出了為穩定圍巖采取的工程措施。王旭等[7]結合隧道工程廠區巖體賦存環境,進行了考慮卸荷速率的砂巖分級卸荷力學特性試驗。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律、應力狀態、塑性區分布等。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技術結合地下洞室開挖施工特點,提出了一套適合現場技術人員的關鍵塊體分析方法,可對復雜施工現場進行快速響應。李繼成等[11]依托白鶴灘水電站地下洞群,利用3DEC軟件對陡傾結構面控制下的左岸尾調室進行數值模擬,結果表明陡傾結構面對拱頂圍巖變形有關鍵影響。黃鵬等[12]針對地下洞群開挖過程中巖體力學參數的確定問題,提出了一種考慮巖體松弛程度及地質信息的優化算法。李鵬等[13]結合現場監測、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定性。冉隆田等[15]結合彭水水電站地下主廠房特殊的布置方式,通過地質建模計算對主廠房變形控制給出了建議。

分析發現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、地質條件復雜、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的核心?；诖?本文以和靜電站地下主廠房為研究對象,通過數值模擬手段,研究地下硐室開挖卸荷變形特征和支護措施有效性,為指導圍巖穩定與變形控制提供依據。

1 工程概況

和靜抽水蓄能電站位于新疆和靜縣境內,地處深山峽谷區。圍巖巖性主要為凝灰巖。巖體多呈次塊狀～塊狀,主要為微風化～新鮮巖體,圍巖初步分類為Ⅱ～Ⅲ1類,易于蓄集較高的應變能,地應力值相對較高。廠房區內地應力測值最高為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

圍巖力學性質較好,巖層為緩傾角,且廣房橫截面相對于縱向長度較短,假定圍巖不產生縱向位移,只計算其橫向位移。將問題簡化為二維平面應變問題進行分析。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整法施加地應力,即通過不斷調整邊界荷載的分布方式,使得測試點的地應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為數值計算模型網格。

圖2 數值計算模型網格

地下廠房區無大型區域斷裂穿過,經開挖揭示,主要發育一些次級小斷層、擠壓破碎帶以及節理裂隙。廠橫0+083.80 m段發育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,產狀以層面產狀為主,擠壓破碎帶內多充填碎裂巖、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

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。巖體和斷層力學參數見表1,計算采用的是彈塑性本構模型,屈服準則采用的摩爾庫倫準則。主廠房基本支護參數為頂拱采用直徑32 mm預應力錨桿,長度9 m,間排距1.5 m×1.5 m;采用直徑150 mm 預應力錨索,間排距4.5 m×4.5 m,長度25 m。邊墻采用直徑150 mm預應力錨索,間排距6.0 m×6.0 m。拱座、端墻、邊墻錨桿支護參數與頂拱相同。錨桿預應力為100 kN,錨索預應力為1 500 kN。頂拱噴C25混凝土20 cm,掛網直徑8@15 cm×15 cm。側墻及端墻噴C25混凝土20 cm,掛網直徑8@15 cm×15 cm。依據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參數

3 開挖工況圍巖穩定性數值模擬結果

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斷層有較大關系,斷層與邊墻大角度相交,由于開挖卸荷、應力調整,高地應力條件下卸荷作用使得斷層力學參數不斷劣化,致使斷層上下盤的巖體產生滑移,變形的不均勻,從而致使邊墻出現剪切錯動特征。

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 塑性區分析

圖5為開挖工況下塑性區域分布圖。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,邊墻效應逐漸凸顯,塑性區大部分位于左右邊墻附近,塑性區深度增加。

圖5 開挖工況塑性分布區域

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

3.3 應力分析

圖6為開挖工況下最小主應力云圖。由圖6可知,頂拱開挖后,拱頂部位出現了拉應力,約為1 MPa,隨著開挖進行拉應力值先降低,隨后增加。在開挖至端墻附近時開始增加,在開挖結束拉應力增大至約1.5 MPa,主要的應力集中區域為洞周附近巖體。最小主應力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上部應力集中區域分布范圍深,下部分布范圍淺,有沿F2斷層持續加深的趨勢。

圖6 開挖工況最小主應力

4 支護工況圍巖穩定性數值模擬結果

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現,支護工況下位移云圖分布發生變化,位移分布區域面積有所減小,最大位移區域零散分布于洞周。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 塑性區分析

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

圖9 支護工況塑性區域

4.3 應力分析

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

5 有無支護方案監測點對比分析

頂拱及上、下游邊墻監測點垂直位移如圖 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,下游側邊墻變形大于上游側。

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、下游邊墻的監測點處,因此出現了較大的變形,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,應考慮加強邊墻附近斷層的支護措施如灌漿等。

6 結 論

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

(1) 頂拱附近巖體內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域為拉剪破壞,受高邊墻特征影響塑性區大部分位于左右邊墻附近,拱頂、上游側邊墻、下游側邊墻,支護工況塑性區深度較開挖工況分別降低了約34%、32%、37%,緩解了高邊墻效應。

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