电站厂房地下洞室开挖围岩稳定分析

闫　涵，赵　靓（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130021）



电站厂房地下洞室开挖围岩稳定分析

闫涵，赵靓
（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130021）

［摘要］针对地下厂房洞室开挖的围岩稳定性问题，通过建立包括原导流洞、主副厂房、尾水洞、厂房周围岩体、断层及主要软弱夹层的三维有限元模型，采用非线性有限元分析方法，模拟了洞室的分层开挖过程，分析评价了洞室开挖后围岩的稳定性。

［关键词］地下洞室；弹塑性有限元；稳定分析；分层开挖地下洞室

1　概述

地下厂房系统施工期围岩的整体安全稳定问题是控制水利水电工程建设的关键计算问题之一，国内外大型地下洞室群都要采用地下厂房岩石力学试验、地应力测试、试验洞现场观测、工程岩体分级、有限元数值计算等多种手段，对地下厂房围岩稳定性问题进行综合分析和讨论。其中的整体围岩稳定弹塑性有限元等数值计算方法已经逐渐成为地下厂房围岩稳定分析的一个必选项目，在小浪底、二滩、三峡、龙羊峡、龙滩、水布垭、小湾、溪洛渡等较大型水利水电工程中得到了广泛成功的应用。

2　电站简介

电站工程枢纽建筑物主要由下水库及下水库泄洪排沙闸坝，上水库及上水库钢筋混凝土面板堆石坝、上下水库进出水口、地下厂房洞室系统、地下输水洞室系统及地面开关站等地面附属建筑物组成。输水系统中发电引水系统采用二洞四机布置，发电尾水系统采用一洞四机布置。发电时最大流量为445.32 m3/s（4台机），抽水时最大流量为394.2 m3/s（4台机）；地下厂房装机4×300 MW。

厂房区地下水主要为赋存于基岩裂隙及断层破碎带内的裂隙水。地下水位埋深约20～35 m，高出厂房顶拱约50～80 m，但岩石透水性微弱，仅局部见有地下水渗涌。据钻孔压水试验资料，厂房区岩石透水性微弱，其透水率多小于1 Lu。多数地段洞周岩石呈潮湿状，仅岩石裂隙发育地段和断层破碎带交汇部位见有地下水呈脉状渗流或雨滴状渗出。

3　有限元模型

地下厂房及围岩的三维有限元模型主要模拟主机间、安装间、副厂房和尾水洞及周围岩体。模型取距离主厂房周边为主厂房跨度的5倍作为边界。计算域内考虑对围岩稳定影响较大的7个软弱夹层（Ⅰ-701，Ⅲ-528，Ⅱ1-518，Ⅲ-515，Ⅲ-513，Ⅲ-508和Ⅲ-404）和1个断层（F29）。由于夹层Ⅲ-515和Ⅲ-513距离较近，可适当地简化，将Ⅲ-515和Ⅲ-513合并，夹层厚度取两者厚度之和。为提高计算精度和网格剖分效率，软弱夹层和断层采用6结点棱柱体单元，其余部分均采用4结点四面体单元。

4　开挖过程中围岩稳定分析

根据地应力测试资料中各应力分量与竖向应力之间的关系，采用侧压力系数法大概模拟厂房的地应力场。模型侧边界采用法向位移约束，即上下游边界采用平行厂房轴线的位移约束，南北边界采用垂直厂房轴线的位移约束；模型底面采用全约束，即限制x，y，z方向的位移。

对有限元模型施加初始地应力和边界约束条件，按照分层开挖顺序分块计算，第一运行块所有单元参与运算，下一运行块中对应施工开挖的单元退出运算，依次类推。计算得到的围岩的应力、位移和变形。开挖顺序如图1所示。

图1　施工分层开挖图

图2～4为顶拱和边墙特征点处位移随施工开挖过程的变化曲线。由图2可知，顶拱沉降变形在第四步开挖完成后基本保持稳定；图3、图4中边墙在第三层开挖时由于地应力释放，位移变化较大，浇筑时位移基本保持不变，第四层开挖位移继续增大，之后的开挖对位移的影响较小；从整体来看，开挖过程中边墙变形不大。

图2　顶拱特征点竖向位移随开挖过程的变化

由位移云图可以看出典型断面的位移情况。由开挖过程中位移的变化趋势可以看出，顶拱沉降变形基本稳定，两侧边墙变形适中，洞室形态基本正常。地质构造对洞室的位移有较大影响，厂房洞室经过夹层或断层处，位移都有一定程度的增大。

由典型断面的应力云图可以判断主应力分布。由开挖过程中应力的变化趋势可以看出，拉应力区基本上都位于边墙和底板及顶拱处，压应力较大的区域主要分布在上下游端墙、两侧边墙及顶拱相交的边界突变处，地质构造对洞室的应力有较大影响，厂房洞室经过夹层或断层处，都出现有一定程度的应力集中。

图3　边墙特征点1水平向位移随开挖过程的变化

图4　边墙特征点2水平向位移随开挖过程的变化

由典型断面的塑性区云图分布可以判断塑性区分布。由开挖过程中塑性区的变化可以看出，塑性区基本上分布于围岩和断层、夹层相交处，顶拱（除与Ⅲ-528相交处外）及边墙周围岩体基本上没有出现塑性变形，洞室整体稳定性较好。厂房洞室经过夹层或断层处，顶拱和边墙可能会出现局部不稳定的现象。

5　结论

有限元模型计算成果表明，地质构造对洞室影响较大，软弱夹层和断层及边界突变处出现应力集中，压应力值小于岩石抗压强度，围岩应力和洞室变形状态基本正常，但断层、夹层等地质构造对洞室的局部稳定有较大影响，厂房洞室经过夹层或断层处，顶拱和边墙可能会出现局部不稳定的现象。塑性区基本上分布于围岩和断层、夹层相交处，洞室整体稳定性较好。

［参考文献］

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［中图分类号］TV74

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）03－0008－03

[收稿日期]2015-11-17