基于强度折减法的泰安电站主厂房稳定性分析

李广凯，张　立，贾　超，雒翔宇

（1.山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司，山东泰安，271000；2.山东大学土建与水利学院，山东济南，250061）



基于强度折减法的泰安电站主厂房稳定性分析

李广凯1，张立1，贾超2，雒翔宇2

（1.山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司，山东泰安，271000；2.山东大学土建与水利学院，山东济南，250061）

泰安抽水蓄能电站地下主厂房受上游水库影响较大，尤其是渗流水对断层、节理裂隙等弱性岩层有弱化作用，对厂房的安全运营等造成了一定的安全隐患。针对以上问题，基于强度折减法，分析影响主厂房安全稳定的断层、节理裂隙等弱性岩层强度参数弱化后，泰山抽水蓄能电站主厂房的稳定性规律，为电站安全运营提供参考依据。

围岩稳定；强度折减法；塑性区；断层

0　引言

泰安抽水蓄能电站地下厂房洞室位于水库的下游，地层中含有多种节理裂隙、透水层等利于库水向下游渗漏的地质条件。受到地质构造复杂、断层交汇等不利条件的影响，再加上厂房运行一些年月后支护和设施已经年久老化，局部部位出现了以往地下厂房没有出现过的具有时效性的大变形，洞周松动区持续加深并出现掉块，甚至发生断层泥化软化等不寻常现象，严重威胁洞室群的稳定性和施工安全，同时也令人担心其长期稳定性。这些现象引起了各方的密切关注，也启发人们对泰安抽水蓄能电站主厂房的特殊性进行深入思考［1-2］。

目前，对于岩土工程的数值模拟分析经常采用两种模型：一类是连续介质模型，如FLAC3D等，另一类是非连续介质模型。FLAC3D是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法［3-5］。这种算法可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动以及大变形，尤其是材料的弹塑性分析方面，在大变形分析以及模拟施工过程等领域有独到的优点。国内外许多学者对地下洞室的开挖及稳定性分析进行过数值模拟。FLAC3D在岩土工程中得到了广泛应用［6-9］。

泰安抽水蓄能电站地下厂房洞室规模大、断层错综复杂，使地下工程施工期和运行期的安全存在一定的不确定性。针对上述问题，开展了对地下厂房洞室群施工期的快速监测与反馈分析研究，关注开挖及开挖后含断层的洞室围岩的整体与局部稳定性，对洞室群的围岩稳定性进行综合评价，以期确保施工期的安全和工程的正常运行。

结合监测结果，基于强度折减法，应用有限差分法对洞室围岩的安全稳定性做出分析评价。

1　理论概述

由于断层力学参数与岩体力学参数不同，并且有明显的接触面，因而断层在受压情况下的损伤破坏特性可以通过损伤力学理论来分析。地下洞室围岩断层多处于多向受压的力学环境中，但由于开挖、力学参数软化等原因，也会引起岩体局部处于拉压剪状态。

地下洞室开挖后，地应力重新分布保持结构稳定。运营过程中由于断层的软化，在断层与岩体的接触面处受围岩变化常常会发生剪拉破坏。

2　模型建立

2.1模型的建立

泰安抽水蓄能电站位于山东省泰安市泰山西南麓，电站地下厂房布置于横岭南坡山体内，离厂房大约150 m的上游是蓄水量1 107.6万m3的水库，上覆岩体厚约210～240 m。地下厂房尺寸为180 m× 25.9m×53.675 m（长×宽×高），平均埋深224.725 m，顶拱高程为140.275 m，底板高程为86.60 m。

工程区最大水平主应力值为12 MPa，最小水平主应力值为7 MPa，地应力分布云图见图1（利用数值软件地应力平衡模拟得到）。按GB 50218-94《工程岩体分级标准》和GB 50287-99《水利水电工程地质勘察规范》对围岩进行分类，为偏于安全考虑，工程区围岩按III类岩石参数计算，有多条断层通过厂房并贯通整个地层带。围岩参数见表1。

基于与实际工程相一致的原则，建立以主洞室为主的地质模型，模型为218 m×543 m×475.8 m。同时围岩中分布三个弱化断层f1、f2、f3，并划分网格（共725 682个单元）模型，见图2。

表1　围岩参数Table 1 Parameters of the surrounding rock

图1　地应力分布云图Fig.1 Cloud map of the distribution of ground stress

2.2边界条件的设置

边界的条件设定：固定x、z轴的边界及y的下边界，同时设定计算收敛值为1e-5，计算时步为30 000。模型计算采用摩尔库伦本构关系，材料参数按表1赋值。首先对模型进行地应力平衡处理，然后进行洞室的一次性开挖，图3是开挖后地应力重新分布，地应力平衡后洞室围岩的垂直应力云图。

图2　数值模型Fig.2 Numerical model

图3　开挖后垂直应力云图Fig.3 Cloud map of the vertical stress after excavation

3　强度折减法数值分析

所谓抗剪强度折减法就是将断层的抗剪强度指标C和φ，用一个折减系数Fs，如式（1）和式（2）所示的形式进行折减，然后用折减后的虚拟抗剪强度指标CF和φF取代原来的抗剪强度指标C和φ，如式（3）所示。

式中，CF是折减后虚拟的粘聚力；φF是折减后虚拟的内摩擦角；τfF是折减后的抗剪强度。

在FLAC3D的有限元计算中，在低应力作用下，不断地折减抗剪参数指标粘聚力C和内摩擦角φ，使洞室围岩出现不稳定区域，从而有岩土的塑性区出现，出现大片的塌落区，此时折减系数即为洞室的安全系数。

通常在数值计算时以塑性区作为围岩稳定性判据，岩体的塑性特性通常反映出其硬化-软化流动力学特性，适用于连续型介质。从应力应变的微观角度来分析节理岩体的稳定性，认为岩体达到塑性变化后主要发生的是剪切和拉破坏。地下工程围岩通常处于压作用下，断裂面上是受到剪作用达到其剪切强度，拉作用达到其抗拉强度，发生剪切和拉破坏，使围岩出现大块岩体脱落，宏观上表现为围岩的失稳。

洞室开挖好后，经过支护加固，洞室围岩重新回到稳定状态。因此在计算之前对已有洞室模型进行初始化处理，消除在开挖过程中的亚破坏区，以免影响强度折减的实验结果。洞室围岩中的断层岩质复杂，受水作用影响大，经过一定时间，力学特性弱化明显，因此利用强度折减法对断层的c、φ按系数为2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0折减。具体折减系数及参数见表2。

表2　折减参数Table 2 Reduction indexes

洞室破坏判定标准：有限元计算不收敛，并且洞室周围有贯通性塑性区。在折减系数较小时，有限元计算收敛，但是有较小的塑性区，对洞室的长期稳定性影响很小。本研究运用强度折减法原理，不断降低岩体软弱夹层和随机节理的强度参数（粘聚力C和内摩擦角φ），以岩体内部出现塑性贯通或位移突变或有限元计算不收敛作为强度折减系数的收敛准则，从而模拟断层被软化后对洞室稳定性的影响。

4　计算结果分析

4.1塑性特性分析

当折减系数小于3.5时，主洞室数值模拟计算收敛，洞室周围出现小部分塑性，对洞室运行及安全不会有很大的影响。当折减系数为4时，计算不收敛，塑性区成区域性出现，洞室周围出现贯通性破坏单元。洞室的塑性区见图4（由于篇幅限制，主要展示折减系数为3.5、4.0、4.5和5.0的洞室破坏形态）。

同时从图4中可以得到，随着折减系数的增加，塑性区最先出现的地方是断层f3与洞室的相交洞顶和侧墙处。引起此现象的原因是由于断层的走向和倾角不同，因此对洞室的影响效果也不同。

通过以上计算可锁定安全系数范围为（3.5，4.0），然后借鉴文献［12］中的强度折减循环命令，应用于数值分析中可确定较精确的安全系数为3.88。主要受断层的影响，当折减系数为3.88时，洞室围岩的破坏区主要分布于断层与洞室相交的地方。

4.2塑性区应力应变分析

在计算中监测f3处洞顶与起拱处的关键点（96.78，192.89，183.5），得出相应的应力-位移曲线，见图5。从曲线可以看出，塑性监测点的变化在折减系数为3.88时开始进入塑性阶段。与塑性特性分析表现出的状态相对应，随着折减系数的增加，依据岩石力学本构关系，该区域会进入塑性软化直到岩体破坏。

5　结语

泰安抽水蓄能电站主厂房位于水库下游，赋存于多条断层的交界部位。断层带常常会受上游水库的渗流水影响，断层强度会随时间部分区泥化或强度弱化。根据此地质现象实施基于强度折减法对断层的弱化，以分析地下厂房的安全稳定性是合理的。

断层的厚度、与洞室的相对位置及与洞室的交界部位不同，对断层的影响也不同。弱化后有的断层对洞室的稳定性影响很大，尤其是对洞室的起拱处及洞顶位置。从位移-应力曲线看，失稳后的洞室处强度已经达到了屈服阶段。因此需要在后期的工作防护中将重点放在断层与洞室交界处的加固及防渗工作上。

通过以上分析得出了断层弱化与洞室稳定的规律，下一步工作主要通过实验和数值模拟研究上游水库渗流与断层弱化的时间、空间规律，以便得到更完善的研究成果。

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The underground powerhouse of Taishan pumped storage power station is highly influenced by upstream reservoir level，especially the seepage water's softening effect on fault and joint fracture.It causes some potential safety problems for powerhouse operation.To solve the problems，based on strength reduction method，this paper uses finite difference calculation method to analyze the safety and stability of underground powerhouse of Taishan pumped storage power station and explores weakening fault's effect on the cavern stability during and after excavation.The result reveals the stability law of the underground powerhouse and provides scientific

for its safe operation based on the analysis of strength reduction method.

stability of surrounding rock；strength reduction method；plastic zone；fault

TV698.1

B

1671-1092（2016）02-0019-04

2015-12-18；

2016-01-05

国家自然科学基金项目（41272325）；国家留学基金项目（201306225024）；国家电网新源公司项目（SGXY-2014FJ04-73、GXY-2014FJ04-74）

李广凯（1988-），男，山东莱芜人，助理工程师，主要从事水电站运维管理及相关技术分析工作。

作者邮箱：jiachao@sdu.edu.cn

Title：Stability analysis of Taian powerhouse based on strength reduction method//by LI Guang-kai，ZHANG Li，JIA Chao and LUO Xiang-yu//Shandong Taishan Pumped Storage Power Plant Co.，Ltd.