基于强度折减法对某水电站主厂房洞室整体稳定性分析

钱大江　张杰　范加胜

【摘 要】针对某建成水电站的主厂房在运行过程中出现的一些稳定性问题，基于强度折减理论，借助有限差分元软件，对该水电站主厂房进行稳定性模拟计算分析，探究断层对于水电站主厂房洞室稳定影响，揭示了该水电站主厂房稳定性规律，为水电站主厂房洞室的整体稳定性问题提供参考。

【关键词】水电站主厂房洞室；强度折减理论；有限差分元

【Abstract】According to some stability problems of the main building of a power station built in appeared in the process of operation， the strength reduction theory based on finite difference element software of the hydropower station powerhouse stability simulation analysis，the influence of fault on the stability of the main powerhouse cavern of hydropower station is explored， and the stability rule of the main powerhouse is revealed， which provides a reference for the overall stability of the cavern group of hydropower station.

【Key words】Main powerhouse of hydropower station；Strength reduction theory；Finite difference element

1. 引言

（1）水電站地下厂房洞室群规模数量庞大，且结构布置较为复杂。洞室岩体节理裂隙的复杂性，也使得水电站地下厂房洞室工程在施工过程及运营过程中的安全性能存在一定的可变性风险。并且水电站厂房经过一段时间的运行之后，支护及设施强度均有降低，出现老化现象并伴有时效性的大变形，严重影响到水电站主厂房洞室的整体稳定性及施工安全[1-2]。

（2）本研究以某水电站主厂房洞室为分析内容，并运用岩土工程数值分析模拟软件建立有限差分模型，基于强度折减理论，通过软件数值模拟计算得出，节理裂隙对于水电站主厂房洞室的整体稳定性影响。

2. 三维模型的建立

（1）本次研究分析选取某水电站主厂房洞室部分为分析计算对象进行模型建立，水电站主厂房尺寸为长×宽×高（180m×24.5m×53.675m）。

（2）水电站主厂房洞室地下岩体性质多为混合花岗岩，部分地区存在弱风化及微风化性质的节理裂隙断层，均需概化在数值模型当中。水电站厂房洞室顶拱位置为140.28m，洞室底板程位置为86.70m。

（3）水电站主厂房洞室工程区域岩体性质按照III类岩石参数进行模拟分析，并且在分析研究区域中存在多个断层穿过厂房洞室。

（4）断层发育包括f9、f17、f18、f25、f37、fc1等6条，其中贯穿整个水电站厂房计算模型的断层结构包括f17、f25、f37。选取的水电站主厂房洞室群模拟分析计算网格模型如下图1。

（5）本次模拟分析研究中主要考虑到不同形式的断层对于洞室强度及稳定性的影响，计算断层的信息如表1所示。

（6）本着计算模型与实际情况相一致的原则，建立以水电站主厂房为主的三维地质模型。计算模型共有583472个单元，如图2所示。

3. 参数的选取

有限元计算模型采用摩尔库伦本构模型，水电站厂房洞室岩体物理力学参数见表2所示。模型的边界条件选取为x、z轴为固定边界条件，左右两侧施加y方向下边界的约束。有限元计算收敛值设定为1e-4，计算中分为20000步收敛（围岩参数见表2）。

4. 强度折减法数值模拟

4.1 水电站主厂房岩石地层在初始地应力作用的影响下，当进行水电站主厂房开挖作业后，由于该地层中存在断层的作用，使得整个水电站厂房洞室群应力进行重新分布，如图3、图4所示。

4.2 由图3及图4可以看出，水电站主厂房顶拱部位及底板部位均出现应力集中现象，应力值约为15Mpa，并且位于主厂房洞室群的交叉区域内应力集中现象更加突出，应力大小约35Mpa。

4.3 为了深入探究裂隙断层对水电站主厂房洞室的整体稳定性，将应用强度折减理论。所谓强度折减法即为节理断层的抗剪强度参数C及，根据设置特定的强度折减系数（Fs），根据方程（1）和（2）得到新的参数值（CF 和 F）进行模拟计算。

4.4 应用强度折减法，对计算模型中断层的内聚力及内摩擦角按系数为3.5、4.0、4.5、5.0进行折减，具体折减系数及参数如表3。通过有限元软件的计算分析，当计算过程出现不收敛的情况时，即为洞室群周围出现大量的塑性区域，水电站厂房产生破坏（折减参数见表3）。

5. 计算结果分析

5.1 当强度折减系数设定为3.5时，计算所得厂房洞室周围还没有出现塑性区域，即还没有发生破坏。当强度折减系数增大到4.0时，计算过程中出现不收敛的现象，有塑性区域产生，即厂房发生破坏。当强度折减系数大于4.0时，这时洞室周围产生连贯性破坏区域，即对洞室整体稳定性产生严重影响（不同Fs值的塑性区示意图见图5）。

5.2 通过以上数值模拟计算可得出水电站厂房的安全系数范围介于3.5至4.0之间。通过如上计算过程进行有限次区间缩小，最终计算得出较为准确的安全系数值为3.9。

5.3 由于水电站厂房岩体中裂隙断层的作用，当强度折减系数设定为3.9时，水电站主厂房洞周围开始产生塑性区域，并且逐渐将产生贯通破坏，位于裂隙断层与水电站主厂房洞室室交叉处，而此时计算得出的应力-位移曲线显示出，由于断层的作用使得水电站厂房洞室强度进入了屈服阶段，如图6所示。

6. 结论

（1）水电站主厂房的稳定性受到洞室岩体断层的影响很大，而洞室断层经常会受到水库的渗漏水的作用，其强度会随着时间逐渐减弱。因此依据强度折减理论，逐步减弱参数值来刻画洞室断层弱化这一过程是符合要求的，并且可以确定得出洞室的安全系数及破坏面，评价主厂房洞室的整体稳定性，还可以依照安全系数数值来对断层的加固施工提供参考。

（2）由数值模拟计算结果得出，断层参数（C及）数值大小对厂房洞室的塑性区范围影响大，水电站厂房洞室断层参数值降低后对整体厂房洞室群的稳定性影响明显，而在厂房洞室的拱顶位置及底板位置影响将更为突出。所以在后期的防护工作中，加固断层强度及防渗工作是重点工作。

参考文献

[1] 李景龙，李术才等，泰安抽水蓄能水电站地下厂房围岩稳定性数值模拟及监测分析[J].山东大学学报，2008，38（2）：77-82.

[2] 李仲奎，周钟，汤雪峰，廖成刚，侯东奇，幸享林，张志增，刘中港，陈秋红. 锦屏一级水电站地下厂房洞室群稳定性分析与思考[J]. 岩石力学与工程学报，2009，11：2167-2175.

[3] 张兴武， 徐小武. 地下洞室安全监控分析模型探讨[J] .岩石力学与工程学报.

[4] 江 权，冯夏庭，苏国韶，等. 基于松动圈-位移增量监测信息的高地应力下洞室群岩体力学参数的智能反分析[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26（增 1）：

[5] 苏国韶，冯夏庭，江 权，等. 高地应力下大型地下洞室群开挖顺序与支护参数组合优化的智能方法[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26（增 1）.

[6] 曾 靜，盛 谦，唐景昌. 复杂地质结构下地下厂房布置方案的对比分析[J]. 地下空间与工程学报.

[7] 陈秀铜，李璐. 大型地下厂房洞室群围岩稳定分析[J]. 岩石力学与工程学报，2008，S1：2864-2872.

[8] 谢红强，肖明砾，何江达，黄桢. 锦屏水电站坝区初始地应力场回归反演分析[J]. 长江科学院院报，2008，05：50-54.

[文章编号]1619-2737（2018）04-08-706