系统锚杆对地下厂房洞室群稳定性影响的数值分析

系统锚杆对地下厂房洞室群稳定性影响的数值分析

以某水电站地下厂房工程为实例，采用数值分析方法，通过对比厂房洞室群是否施加系统锚杆的差别，获得系统锚杆对洞室群稳定性的影响。结果表明，施加系统锚杆对围岩主应力影响小，但能平均降低围岩位移28.07%，降低拱顶和拱角处围岩位移34%以上，降低主厂房和尾闸室边墙塑性破坏区深度2.2～4.8m，在一定程度上提高洞室群的整体稳定性。

系统锚杆；地下厂房；稳定性；数值分析

1 问题的提出

我国西南地区蕴藏的水能资源丰富，是我国重要的水电能源基地。但是受地形条件的限制，西南地区大量水电工程的发电厂房通常布置在山体内，形成地下厂房洞室群。一旦开挖这些地下洞室群，将会打破山体原有的平衡，形成二次应力，并且出现向开挖临空面的卸荷回弹，导致围岩出现一定范围内的塑性破坏区。如果形成的二次应力以及位移量过大，将会导致围岩稳定性降低，甚至出现大变形垮塌破坏，因此在地下洞室群开挖以后需要及时对围岩进行工程支护处理。

目前我国地下洞室群大部分采用的是系统锚杆（锚杆＋锚索）的支护方式。从工程实践以及大量学者研究的结果来看，系统锚杆支护效果是明显的，能够提高围岩的稳定性［1～7］。但是地下厂房洞室群开挖以后，系统锚杆对地下洞室群围岩应力、位移、塑性破坏区的影响具体有多少？哪些部位施加系统锚杆后稳定性有大幅度提高？地下厂房围岩没有系统锚杆和有系统锚杆之间具体的差别在哪里？开展这些问题的研究对于地下厂房洞室群整体稳定性、优化围岩支护措施、确定合理的施工过程等都有着重要的工程意义和现实意义。为此，本论文以金沙江某水电站地下厂房工程为例，采用数值分析方法，对比分析研究有无系统锚杆支护情况下地下厂房洞室群开挖以后围岩主应力、位移、塑性破坏区以及整体稳定性之间的差别，并希望能对类似工程有一定的借鉴作用。

2 背景介绍

本论文研究的水电工程位于金沙江，电站为混凝土重力坝，初定坝高140m，装机容量2 100MW，库容15.48×108m3，工程规模属Ⅰ等大（一）型。研究区地层岩性为一套侏罗系砂岩夹板岩以及燕山期侵入正长岩，具体岩性描述如下：

（1）侏罗系上统妥甸组（J3t）：灰绿色粉砂岩与砂质页岩互层，局部夹泥岩。

（2）侏罗系中统蛇店组（J2s）：灰绿－青灰色变质砂岩，以长石砂岩夹硅泥质板岩为主，局部夹粉砂岩、长石石英砂岩。

（3）燕山期侵入岩（ξ5）：岩性主要为正长岩，以岩脉、岩株状等侵入于变质砂岩中。

对研究区主要断层进行统计分析表明，断层主要呈NW和NE向延伸，一共有4组优势方向：①245°∠27°；②228°∠81°；③104°∠26°；④136°∠64°。

水电站地下厂房布置在金沙江右岸雄厚山体内部，洞室群长轴方向为NE25°。厂房系统主要由1个主厂房、1个主变室、1个尾水调压室、6个母线洞、6个尾水洞以及其他辅助洞室等部分组成。其中主厂房的边墙最高达到77.2m，最大宽度达到27.6m，属于高边墙、大跨度的大型地下洞室群。根据设计资料，地下洞室群开挖以后采用锚杆＋锚索的系统支护措施（图1）。其中锚杆和锚索设计参数如下：

（1）锚杆：直径32mm，间、排距3m，深入岩石9m，外露0.1m，变形模量20GPa，抗拉强度0.3 MN。

（2）锚索：采用1 750kN预应力锚索，间、排距4.5m，长度25m，变形模量200GPa。

图1 地下厂房洞室群系统支护设计Fig.1 Designing the systematic supporting structure of underground powerhouses

3 地下厂房开挖后有无系统锚杆对比分析

根据地下厂房围岩支护设计方案，建立的有限元数值计算模型见图2，各种材料计算参数见表1，锚杆和锚索参数见前面设计参数。计算分两步完成，第一步为山体原始状态，第二步为地下厂房开挖以后（地下厂房采用一次性开挖成型）。为了对比分析研究，在本次研究工作中分别建立两个计算模型：一个是地下厂房开挖以后没有系统锚杆支护，另外一个是地下厂房开挖以后有系统锚杆支护。

表1 数值模型各材料物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of the materials in the numerical model

3.1 主应力对比分析

图2 地下厂房洞室群数值计算模型Fig.2 Numerical model of underground powerhouses

地下厂房开挖以后，三大洞室在有系统锚杆支护和无系统锚杆支护情况下各处最大主应力计算结果见图3和图4。从图中计算结果可知，最大主应力在主厂房拱顶和右边墙底、主变室右边墙底、尾闸室拱顶和地板处有集中现象。为了进一步分析施加系统锚杆对围岩最大主应力的影响，将两种情况下地下厂房各处最大主应力量值汇总于表2中。从表2最大主应力对比分析结果可以得到以下几点结论：

（1）施加系统锚杆以后，主厂房右边墙底最大主应力降低了6.5MPa，有较大幅度的降低；其次是在右边墙顶部，最大主应力降低了2.16MPa。而在右边墙中部最大主应力增大了1MPa左右，其余地方最大主应力量值变化不大。

图3 无系统锚杆支护情况下围岩最大主应力（单位：MPa）Fig.3 Max main stress of wall－rocks without systematic anchors（MPa）

图4 有系统锚杆支护情况下围岩最大主应力（单位：MPa）Fig.4 Max main stress of wall－rocks with systematic anchors（MPa）

（2）施加系统锚杆以后，主变室右边墙底部最大主应力降低了2.17MPa，右边墙顶部最大主应力降低了1.08MPa。在底板中部和左边墙中部最大主应力增大了1MPa左右，其余地方最大主应力量值变化不大。

（3）施加系统锚杆以后，尾闸室底板中部最大主应力增大3.25MPa，其余地方最大主应力量值变化不大。

（4）从计算结果可知，施加系统锚杆以后，部分地方最大主应力变化不大，如主变室拱顶和左拱角处，这主要是由于应力调整的结果，并且系统锚杆对最大主应力影响较小，因此有些地方有无系统锚杆最大主应力量值差别不大。

从上面的对比分析结果可知，施加系统锚杆以后，地下厂房各处最大主应力有升有降，其中最大主应力降低幅度最大的地方出现在主厂房右边墙底部，降低了6.5MPa；最大主应力增大幅度最大的地方出现在尾闸室底板中部，增大了3.26MPa。总体来说，施加系统锚杆相比没有施加系统锚杆对主应力的影响不是特别明显。

表2 有无系统锚杆情况下地下厂房围岩各处最大主应力计算结果Table 2 Max main stress of wall－rocks in underground powerhouses without anchors and with anchors

3.2 位移对比分析

地下厂房开挖以后，计算得到的有无系统锚杆支护情况下围岩的位移见图5和图6。从图中可知，总体而言，围岩出现明显向临空面的卸荷回弹趋势。无系统锚杆支护情况下，位移量最大的地方出现在主厂房右边墙中部，位移量达到5.2cm；其次是在主厂房左边墙中部和尾闸室右边墙中部，位移量为4.8cm。而在施加系统锚杆以后，最大位移量出现的地方是主厂房左边墙中部，位移量为4.8 cm；其次是尾闸室有边墙中部，位移量为4.4cm。

图5 无系统锚杆支护情况下围岩变形（单位：m）Fig.5 Deformation of wall－rocks without systematic anchors（m）

图6 有系统锚杆支护情况下围岩变形（单位：m）Fig.6 Deformation of wall－rocks with systematic anchors（m）

为了进一步分析施加系统锚杆以后对围岩位移量的影响，将两种情况计算得到的地下厂房各处位移量进行对比分析，见表3。从表中对比分析结果可以得到以下几点结论：

（1）总体来说，施加系统锚杆以后，除了主变室右边墙底部位移量增加了0.3cm以及主厂房左边墙中部位移量无变化以外，在地下厂房其余地方，位移量均有明显的降低，降低幅度从0.1cm到1.4 cm不等。

（2）施加系统锚杆以后，地下厂房各处位移量平均降低了0.52cm，平均降低幅度28.07%。

（3）对主厂房、主变室、尾闸室等3个地下厂房各处位移量降低幅度统计结果表明（表4），施加系统锚杆对控制拱顶处位移量特别明显，3个地下厂房拱顶处位移量平均降低了0.87cm，平均降幅达到51.19%；其次是边墙顶部，位移量平均降幅在34%到47%之间，边墙中部位移量降幅平均也在30%以上。

表3 有无系统锚杆情况下地下厂房各处位移量计算结果Table 3 Displacements of wall－rocks in underground powerhouses without anchors and with anchors

表4 分位置统计地下厂房各处位移量降低情况Table 4 Decrease of displacement in underground powerhouses

3.3 塑性破坏区对比分析

地下厂房开挖以后塑性破坏区类型和分布范围见图7和图8。从图中计算结果可知，无系统锚杆支护情况下，主厂房和主变室之间的围岩基本上全部处于塑性破坏状态。主厂房左边墙塑性破坏区的深度达到17.4m，尾闸室左右边墙塑性破坏区的深度分别为17.1m和10.6m。

在施加系统锚杆以后，主厂房和主变室之间的围岩部分处于塑性破坏状态。主厂房左边墙围岩塑性破坏区深度为12.9m，比未施加系统锚杆深度降低了4.5m。尾闸室左右边墙塑性破坏区的深度分别为12.3m和8.4m，比未施加系统锚杆深度分别降低了4.8m和2.2m。根据对比分析结果，施加系统锚杆以后，能有效降低地下厂房围岩塑性破坏区的深度，这对于提高地下洞室群的整体稳定性是有利的。

3.4 整体稳定性对比分析

图7 无系统锚杆支护情况下的塑性破坏区（x－剪破坏，O－拉破坏）Fig.7 Plastic damage zone without systematic anchors（⊗－tension fracture；×－shear fracture）

图8 有系统锚杆支护情况下的塑性破坏区（x－剪破坏，O－拉破坏）Fig.8 Plastic damage zone without anchors and with anchors（⊗－tension fracture；×－shear fracture）

采用强度系数折减法对地下洞室群开挖以后的整体稳定性进行分析计算，具体思路是：首先定义一个强度储备系数SRF，然后在计算的过程中将模型中材料的强度参数（内聚力C和内摩擦系数f）不断地降低，也就是将材料的强度参数除以SRF（该材料的其他参数如变形模量等不变），计算得到在不同SRF的情况下，对应的地下洞室群位移。当位移出现较大的增加时，即SRF与最大位移曲线出现明显的拐点时，此时对应的SRF即为地下洞室群的安全储备，计算得到整体破坏时的SRF值可以反映地下厂房洞室群整体安全的程度。

采用强度系数折减法计算得到的地下厂房开挖以后有无系统锚杆支护情况下的整体稳定性系数见图9。随着SRF的增加，最大总位移也随之增加，当SRF增大到一定数值后，总位移有较大幅度的增加，曲线出现明显的拐点。此时对应的SRF即为地下厂房洞室群整体稳定性系数：有系统锚杆支护地下厂房洞室群整体稳定性系数K＝2.23；没有系统锚杆支护地下厂房洞室群整体稳定性系数K＝2.07。

图9 有无系统锚杆情况下地下厂房洞室群整体稳定性计算结果Fig.9 Stability of underground powerhouses without anchors and with anchors

4 结论

通过前面的分析，可以得到以下几点结论：

（1）地下厂房洞室群在开挖以后，施加系统锚杆相对未施加系统锚杆而言，主厂房和主变室右边墙底部和顶部、尾闸室底板中部最大主应力有所降低；而主厂房右边墙中部、主变室底板中部和左边墙中部最大主应力有所增大；在其余地方最大主应力量值变化较小。因此，总体来说，施加系统锚杆对围岩主应力的影响不大。

（2）施加系统锚杆对围岩位移量的影响较大。施加系统锚杆以后，地下厂房围岩绝大部分地方位移量有明显的降低，降低幅度在8.33%到78.57%之间，平均降低了28.07%。其中对拱顶处位移量降低幅度是最大的，平均降低51.19%。其次是边墙顶部，位移量平均降幅在34%到47%之间，边墙中部位移量降幅平均也在30%以上。

（3）施加系统锚杆对围岩塑性破坏区的分布深度也有明显的影响。施加系统锚杆以后，不仅主厂房和主变室之间围岩的塑性破坏区减少，而且主厂房左边墙、尾闸室左右边墙塑性破坏区的分布深度也有明显降低。其中主厂房左边墙塑性破坏区分布深度降低4.5m；尾闸室左右边墙塑性破坏区分布深度分别降低4.8m和2.2m。

（4）施加系统锚杆能一定程度提高地下厂房洞室群整体稳定性。有无系统锚杆支护地下厂房洞室群整体稳定性系数分别为2.23和2.07。

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NUMERICAL ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF SYSTEMATIC ANCHORS ON THE STABILITY OF UNDERGROUND POWERHOUSES

Zhou Hong－fu1，Nie De－xin2，Wang Chun－shan1
（1.Chengdu Institute of Geology ＆ Mineral Resources，Chengdu 610081，China；2.Environment ＆Civil Engineer College，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

The differences of whether the powerhouses are supported by systematic anchors are studied with the method of numerical analysis to explore the influence of systematic anchors on the stability of underground planthouses.The results show that systematic anchors don＇t influence the principal stress of wall－rocks much while they can increase the holistic stability.They reduced the average displacement by 28.07%，the displacement at vaults and tops more than 34%and the depth of the plastic damage zone at the main powerhouse and end chambers by 2.2～2.4m.

Systematic anchors；underground planthouses；stability；numerical analysis

周洪福1，聂德新2，王春山1

（1.成都地质矿产研究所，成都 610081；2成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059）

P642

A

1006－4362（2011）03－0067－07

2011－05－23 改回日期：2011－07－25

国家自然科学基金项目（编号：40372127）

周洪福（1980－ ），男，博士，主要从事工程岩土体稳定性和地质灾害调查等方面的研究工作。