深埋大型地下洞室群围岩稳定性三维数值模拟

李　睿，张　蕊，徐云海，程　伟

(1.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京210098；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)



深埋大型地下洞室群围岩稳定性三维数值模拟

李睿1，张蕊2，徐云海2，程伟2

(1.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京210098；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)

深埋大型地下洞室群开挖引起围岩应力重分布，评价各个阶段(初始和开挖状态)洞室围岩应力及位移分布特征具有较大的工程意义。以GS水电站右岸深埋大型地下厂房洞室群为工程背景，基于FLAC3D平台建立了三维地质模型，研究了深埋大型地下厂房的初始应力特征以及在施工开挖过程中洞室围岩的应力及变形特征，并对深埋大型洞室围岩的稳定性进行了综合评价。

深埋地下洞室群；围岩；稳定性分析；应力场；变形场

1　工程概况

GS水电站是一座以发电为主要开发任务的大型水电工程，坝顶高程2 287 m，最大坝高240 m，正常蓄水位高程2 267 m，壅水高度188 m，总库容17.98亿m3，总装机容量1 900 MW。地下厂房洞室群主要为主厂房、主变室和尾水调压室，均分布在右岸玄武岩层中，岩体较坚硬。研究区洞室群上覆岩体厚度大，最大埋深约460 m，最小约300 m，平均约400 m，属深埋地下洞室群[1]。右岸地形陡峭，坡度一般40°～50°，且发育多条较大的冲沟，单斜构造。研究区的地表未揭露Ⅱ级及以上断层，Ⅲ级断层不发育，Ⅳ级断层、挤压面及Ⅴ级结构面(节理)发育。地下厂房洞室群出口相对集中，埋深大，规模大，洞室密集，在开挖时面临着围岩稳定性的问题[2- 3]。

本文对GS水电站右岸深埋地下洞室群的围岩稳定性进行了系统研究，消除了深埋洞室稳定的潜在危害，对保证地下引水洞室群的施工安全、围岩的长期稳定以及优化设计具有实际意义[4]。

2　数值模型及计算参数

2.1数值模型建立

深埋地下厂房洞室群地区主要岩性为玄武岩，以Ⅲ类岩体为主，地下厂房部位的上层地表为起伏不平的山体。为模拟研究区地形的三维形态，根据山体工程地质测绘成果，通过计算机编程，在FLAC3D软件平台下构建了体现地形和主厂房、主变室、尾水调压室等建筑物布置格局的地质体几何模型。

本次建模采用25 m间距的平面网格，垂向高差5等分，对GS电站深埋厂房洞室群进行建模。模型包括2个部分：一部分为厂房顶部以上的地质体(高程2 130～2 615 m)，另一部分为厂房所在部位(高程1 913～2 130 m)。深埋地下洞室群数值模拟模型长度和宽度分别为575 m和600 m。其中，主厂房轴向的开挖范围为200～400 m，主变室为220～380 m，尾水调压室分别为200～275 m和300～375 m。最终，将2部分模型合在一起得到研究区整体的三维数值模型(见图1)。模型共划分了258 936个单元，共有268 943个节点。为取得较好的模拟效果并保证可操作性，在建模过程中，单元类型、网格尺寸根据模型大小和计算精度协同确定[5]。

图1　三维数值模型

2.2计算参数选取

本文采用的破坏判据准则为莫尔-库仑准则[6]。本次计算主要考虑地表山体部分岩体和地下厂房围岩部分岩体。地表岩体包括强风化～弱风化的板砂岩互层岩体和玄武岩岩体，而深埋厂房洞室群围岩岩体较为均一，主要为弱风化的玄武岩。2种类型岩体物理力学参数见表1。

表1岩体物理力学参数

岩石类别容重/kN·m-3弹性模量/104MPa泊松比粘聚力/MPa摩擦角/(°)围岩28.48.20.223.728山体20.62.50.291.921

3　数值计算结果分析

3.1初始应力场特征

初始应力场特征见图2。从图2可知，厂房区的最大主应力在15.0～22.5 MPa之间，中间主应力在6.0～12.0 MPa之间，最小主应力在1～3 MPa之间。此外，在实测高程2 093 m位置，最大主应力的数值模拟结果为17.5～20 MPa，中间主应力为6.0～8.0 MPa，最小主应力为1.0～2.0 MPa。GS电站厂房部位围岩垂直应力约6～12 MPa，垂直厂房洞室轴向的水平应力约1～3 MPa，平行厂房洞室轴向的水平应力较大，约17.5～22.5 MPa，施工中应需高度重视。

从GS电站地下厂房区地应力实测结果可知，厂房部位(高程2 093 m)最大主应力为17.6～20.8 MPa，均为压应力，为中等偏高地应力；最小主应力相对较小，为1.2～6.6 MPa，中间主应力为3.3～10.2 MPa。数值模拟结果与实测结果接近。

图2　主厂房部位初始应力(单位：MPa)

3.2开挖后围岩应力场特征

从电站主厂房中部垂直洞轴向(Y=240 m)切片分析开挖后围岩应力场。应力云图见图3。从图3可知，洞室群开挖后，围岩应力方向发生了明显的偏转，其影响范围在洞室群最外边墙外60～90 m，构成了二次应力场的分布区域。在二次应力场中，总体表现为：垂直于洞室轴向的水平应力小于垂直应力，且垂直应力为垂直于洞室轴向的水平应力的3倍左右；最大主应力与临空面近于平行(边墙部位)，最小主应力与临空面近于垂直(边墙部位)，各主应力的量值也发生了较大的改变。

图3　垂直洞室轴向(Y=240 m)应力云图(单位：MPa)

3.2.1主厂房

在主厂房的顶拱、底板及上下游边墙的中部，由于受到主厂房开挖卸荷的影响，出现了应力降低现象，并且还产生了拉张应力，最大为8 MPa；在边墙与顶拱、底板的交线处产生了应力集中现象，最大为13 MPa。在主厂房的上下游边墙的中部、顶拱及底板一定范围内产生了应力集中现象，最大为4.2 MPa。在主厂房顶拱两侧及边墙与顶拱、底板的交线处出现了较大的剪切应力，最大值为4.2 MPa，且由于受到尾水调压室开挖的影响，上游边墙剪应力较下游边墙小。

主厂房开挖完成后，3大主应力均由顶拱、底板与各边墙的交线的应力集中带与各临空面的应力降低区相间构成。在洞室围岩周围，应力的集中区出现在顶拱及底板一定范围内，最大主应力最大值约22.5 MPa，中间主应力最大值约14.0 MPa，最小主应力最大值约3.0 MPa；应力降低区主要位于洞室上下游边墙中部。其中，上游边墙的中部量值分布范围较大。此外，在主厂房的中部还出现了拉张应力，最大值约1.1 MPa。

3.2.2主变室

主变室的垂直应力为13.0 MPa、水平应力为4.2 MPa、剪应力为3.6 MPa、最大主应力为20 MPa、中间主应力为2 MPa、最小主应力为2 MPa。总体分布规律与主厂房有明显的差别，主要表现在主变室的顶拱和底板部位出现了应力降低现象，在上下游边墙部位出现了应力集中现象，这是因为受开挖群洞效应的影响所致。

3.2.3尾水调压室

尾水调压室的总体分布特征与主厂房类似，由拱角、边墙脚的应力集中区以及边墙中部与顶拱底板浅部的应力降低区组成。整个洞室最大垂直应力为13.0 MPa、水平应力为4.2 MPa、最大剪应力为4.2 MPa、最大主应力为22.5 MPa、中间主应力为14.0 MPa、最小主应力为3.0 MPa。此外，在尾调室的隔墩顶部与边墙的接合部位存在应力集中区，隔墩本身应力值也有变化，表现为垂直向下量值逐渐增大的特征。

3.3开挖后围岩变形特征

开挖后围岩变形特征的分析方法同开挖应力场，即从电站厂房中部垂直洞轴向(Y=240 m)进行切片分析。开挖后围岩变形特征见图4。从图4可知，整个洞室群开挖后，围岩向临空面方向发生回弹变形，总体上表现出整个工程体系外围临空面位移较小，而内部临空面，如主厂房、主变室与尾调室之间隔墙临空面等位移较大；地下洞室垂直方向的临空面位移较大，表现为顶拱下落和底板拱起；垂直地下洞室轴方向的临空面位移较小，表现为边墙水平向内变形。在各临空面中，围岩的位移一般又以顶拱和底板中部最大，向四周逐步减小。

3.3.1主厂房

在主厂房中，位移总量最大的是底板(产生底鼓)，约88 mm。主要是因为底板岩体埋深较大，在开挖过程中受地应力的影响也相对较大，变形也相对较大；其次是顶拱，最大值约64 mm；再次是上游边墙(40 mm)和下游边墙(48 mm)，主要由垂直洞轴线方向的水平位移组成，且下游边墙的位移明显大于上游边墙，主要是受群洞效应作用所致。上下游边墙的位移基本相同，且较洞室顶拱和底板的位移小。造成位移不同的原因主要源于水平方向的位移分量，即与初始应力场方向分布有关。分析表明，主厂房的变形主要与初始地应力方向、上覆荷载和群洞效应等因素相关。

图4　垂直洞室轴向(Y=240 m)位移(单位：mm)

3.3.2主变室

与主厂房变形相似，主变室变形同样受初始地应力方向、上覆荷载和群洞效应等因素的控制。由于洞室尺寸、形态、工程位置与主厂房的不同，其各临空面的最大位移出现了一些新的变化。主变室最大位移为88 mm，位于主变室底板部位；其次是顶拱中心，最大位移为64 mm；再次是上下游边墙，且位移基本相同，均为20 mm，但方向相反，这是因为主变室受群洞效应作用产生应力集中所致。

3.3.3尾调室

开挖后尾调室变形场特征与主厂房相近，但各工程部位的位移量值有所提高，且下游边墙的总位移量也相对增大。各部位的位移依次为底板中部88 mm、下游边墙40 mm、顶拱中部64 mm、上游边墙40 mm。此外，尾调室上下游边墙在水平方向的位移有所差异，造成这种差异的原因同样与初始地应力方向、上覆荷载和群洞效应等因素相关。

4　结　语

本文基于GS水电站地下厂房初始应力场、开挖后围岩应力场及围岩变形特征的FLAC3D计算结果，得出以下结论：

(1)初始应力特征表现为垂直厂房洞室群轴向的水平应力(XX)最小，平行厂房洞室群轴向的水平应力(YY)最大。在数值上，与地下厂房区地应力实测结果相近，数值模拟结果较为可靠。

(2)主厂房、尾水调压室围岩开挖后，应力在拱角、边墙脚处出现应力集中，而各临空面出现应力降低区；主变室围岩开挖后，在主变室的顶拱和底板部位出现了应力降低现象，而在上下游边墙部位出现了应力集中现象。对应力集中区域，在施工过程中需要高度重视。

(3)开挖后，3处洞室围岩向临空面发生位移，总体变形特征表现为底板中部位置位移最大，顶拱中心位置次之，上下游边墙位置位移最小。

[1]于学馥， 郑颖人， 刘怀恒， 等. 地下工程围岩稳定分析[M]. 北京： 煤炭工业出版社， 1989．

[2]王明华， 白云. 层状岩体三维可视化构模与数值模拟的集成研究[J]. 岩土力学， 2005， 26(7)： 1123- 1126．

[3]许传华， 任青文， 郑治， 等. 索风营水电站地下洞室岩体力学参数的位移反分析[J]. 岩土工程学报， 2006， 28(11)： 1981- 1985．

[4]李正刚. 二滩水电站地下厂房系统洞室围岩破坏性研究[J]. 水力发电， 1997(8)： 50- 53．

[5]武世婷， 周广峰， 张建海， 等. 西部三大水电工程地下厂房研究比较[J]. 水利水电科技进展， 2009， 29(1)： 61- 65．

[6]张蕊， 姜振泉， 于宗仁， 等. 煤层底板采动破坏特征综合测试及数值模拟研究[J]. 采矿安全工程学报， 2013， 30(4)： 531- 537．

(责任编辑杨健)

3-D Numerical Modeling for Surrounding Rock Stability of Deep Buried Large Underground Caverns

LI Rui1, ZHANG Rui2, XU Yunhai2, CHENG Wei2

(1. School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China;2. PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China)

The excavation of deep buried large underground cavern group will lead to the redistribution of stress in surrounding rock. Therefore, the study on stress distribution characteristics of surrounding rock at each stage (initial state and excavation phases) and the rock mass displacement under the change of stress conditions are of great engineering significance. Based on FLAC3D platform, a 3-D geological model is established for the stability analysis of deep buried underground powerhouse cavern group on the right bank of GS Hydropower Station. The initial stress characteristics of deep buried underground powerhouse and the stress and deformation characteristics of surrounding rock in excavation processes are analyzed respectively. Furthermore, the stability of surrounding rock of underground powerhouse is comprehensively evaluated．

deep buried cavern group; surrounding rock; stability analysis; stress field; deformation field

2015- 12- 11

江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(SJZZ15- 0068)；中国博士后科学基金面上资助项目(2015M572509)

李睿(1994—)，男，安徽含山人，硕士研究生，主要从事地下洞室围岩稳定研究；张蕊(通讯作者)．

TV314

A

0559- 9342(2016)05- 0016- 04