ANSYS在某地下厂房洞室开挖中的应用研究

袁 强，王 明，向贤镜

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

水电站地下厂房开挖支护设计中，借助ANSYS应用软件采用有限元法计算，其工作量小，计算过程中不易出错，它采用整体建模整体加载，避免了简化模型所产生的问题。文中以某水电站地下厂房洞室开挖为例，介绍运用ANSYS软件采用有限元法对地下厂房开挖进行数值模拟。

1 工程概况

某水电站为金沙江上游干流梯级规划“一库十三级”中的梯级电站。电站采用混合式开发，最大坝高45 m，装机容量1 080 MW。共布置4台单机270 MW混流式发电机组。地下厂房布置采用两洞室平行布置形式，主洞室和主变洞之间岩体厚45.2 m。主洞室长192.15 m，宽28.4 m，高72.25 m，结合地形地质条件及引水线路布置初拟轴线方位N58.19°W，主洞室上部岩体最小覆盖厚度约110 m，左右侧最小厚度约80 m。

2 数值模拟

将洞室整个围岩假定为半无限弹性平面体[1]，按平面应力问题有限元法分析。初始应力场计算后，采用“生死单元”法进行开挖模拟，即把开挖区域设置为不参与计算的死单元来模拟计算[2]。

2.1 计算域的选取

考虑洞群的空间效应和提供必要的边界厚度，在垂直洞轴线方向，主厂房外侧由厂房边墙起，往山里延伸3倍厂房开挖跨度（90 m），尾水闸门井外侧由尾水闸门进外边墙起向河谷延伸70 m；在垂直方向，底部取到2 193 m高程，上部至地表面。为简化模型，只对主要洞室进行开挖建模。

2.2 有限元模型

建立二维平面应变模型，模拟初始地应力场以及厂房与主变洞的开挖过程。这次计算分析中，围岩按弹性材料考虑，对模型全部采用四边形单元进行有限元离散。

2.3 边界条件

在计算域内，模型顶部为地表自由面，左右边界法向约束，在基底面竖向约束。

2.4 初始条件

初始地应力场仅考虑自重应力场。荷载主要为围岩自重荷载和开挖时围岩释放的应力荷载。

3 计算结果分析

3.1 初始应力场

该数值模拟计算中，初始地应力场仅考虑自重应力场。由计算可知：地下厂房区水平向应力在-1.8 MPa左右，铅直向应力-5.3 MPa左右。实测资料中地下厂房区铅直向应力为-4.3～-5.6 MPa。可见初始应力模拟结果与实测资料基本相符。计算范围内岩体分布形状为两端薄中间厚，岩体厚的地方竖直向应力略大于岩体薄的地方，洞室群所在范围水平向应力线近似水平分布。

3.2 开挖后围岩变形

围岩变形情况见图1和图2，为开挖后围岩水平向（x向）、铅直向（y向）位移图。表1给出了洞周部分点的位移值。顶拱给出的是竖直线位移，边墙给出的是水平向位移。

图1 无支护工况围岩水平向位移图（m）

图2 无支护工况围岩铅直向位移图（m）

表1 洞周围部分点位移值（mm）

由于开挖荷载释放，围岩向洞内变形，总体上表现为顶拱下凹变形和底板拱起及边墙内鼓变形，围岩垂直向变形比水平向变形大，主厂房上下游测变形是基本对称的，上、下游侧变形量基本一致；主变洞与尾水闸门井变形则略有偏转，下游侧变形大于上游侧变形，这是由水平向应力不同所致。

3.3 开挖后围岩应力

围岩应力图，分别见图3～图4。表2给出了洞周部分点的水平向与铅直向应力值。

图3 无支护工况水平方向应力图（Pa）

图4 无支护工况铅直方向应力图（Pa）

表2 无支护工况洞周围部分点应力值（MPa）

由图可知，主拉应力主要出现在主厂房、主变洞顶拱中部和底板中部，最大主拉应力值为1.4 MPa，位于主厂房和主变洞底板中部。在主厂房、主变洞、尾水闸门井拱脚和边墙脚均有较大的压应力集中现象，主压应力最大值约22 MPa，出现在主厂房洞底部角点，但没有超过围岩的平均饱和抗压强度（50 MPa）。

3.4 塑性屈服区

开挖后，主厂房在边墙脚、底板中部及拱角产生了塑性屈服区，最大屈服深度约9 m，同样在主变洞边墙脚及底板中部、尾水闸门角点也产生一定深度的屈服区，最大屈服深度分别为6 m、2 m，但主厂房与主变洞之间岩柱、主变洞与尾水闸门井之间岩柱均未发生塑性贯通。

4 结语

文中利用ansys对地下洞室开挖进行有限元计算，得出以下结论：

1）主厂房和主变室开挖后，围岩向洞内变形，且以竖向变形为主，主厂房上下游墙变形基本为对称变形，顶拱变形略大于底板变形。主厂房最大竖向变形发生在顶拱，值约为21 mm，主变洞顶拱最大竖向位移为16.4 mm，尾水闸门井顶拱最大竖向位移为6.7 mm，主厂房边墙最大水平位移为5.6 mm，主变洞边墙最大变形为3.1 mm，尾水闸门井边墙最大变形为4.3 mm。

2）围岩开挖无支护情况下，在拱脚和边墙脚有较明显的压应力集中现象，但应力值没有超过围岩抗压强度。

3）洞室开挖后，在三个主洞室边墙产生较大范围的塑性屈服，但各洞室间岩柱没有塑性屈服贯通。

4）围岩整体稳定性可以满足，但在拱脚、边墙角、底板局部发生塑性屈服的区域，需采取相应支护处理措施，以保证局部稳定性。

［1］徐芝纶.弹性力学简明教程［M］.北京：高等教育出版社，2000：87-91.

［2］李围，叶裕明.ANSYS土木工程应用实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2007：51-59.