考虑所有洞室开挖影响的蟠龙地下厂房结构特性分析

袁长安,苏 超

(1.重庆蟠龙抽水蓄能有限公司,重庆 401452; 2.河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

根据国家电网的优化配置需要，我国目前正在兴建一批抽水蓄能电站，电站厂房通常为大尺寸的地下洞室群。水电站地下洞室群在开挖过程中洞周围岩的稳定问题一直是工程界和学术界关注的重点，近几年的研究主要包括以下几个方面：①洞室围岩的变形规律[1-2]；②高地应力水平对洞室稳定的影响及应对措施[3-5]；③洞室群围岩稳定分析方法[6-8]；④施工程序、施工仿真及施工方法[9-10]；⑤不同类型围岩的开裂机理和破坏特征[11-13]；⑥地震荷载作用下洞室的稳定[14-15]；⑦洞室围岩岩爆的模拟与分析[16]；⑧高地温环境下岩石特性等[17]。这些研究涉及大型地下洞室群稳定的主要问题，采用的计算模型都是包含主厂房、主变室、母线洞及部分引水洞和尾水洞的三维简化模型，没有考虑其他洞室开挖对主厂房的影响。本文以蟠龙水电站地下洞室群为研究对象，拟建立包含所有洞室的三维有限元模型，研究洞室群在开挖过程中围岩的变形机理，并与三维简化模型计算结果进行对比，研究不同计算模型对计算结果的影响，为类似工程的数值模拟提供参考。

1 工程概况

图1 1号机组剖面图(高程单位：m；长度单位：mm)

蟠龙抽水蓄能电站由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库及地面开关站等建筑物组成，地下厂房系统采用尾部式布置，电站装机容量为1 200 MW(4×300 MW)，洞室上覆岩体厚度为40～480 m。主厂房开挖尺寸为169.00 m×24.00 m×54.43 m(长×宽×高)，安装场位于主厂房中部，主变洞开挖尺寸为139.40 m×20.30 m×21.20 m(长×宽×高)，机组剖面图见图1。

洞室群主要处于中硬岩和软岩之中,软岩层有6层，为泥岩或粉砂质泥岩或泥质粉砂岩,软硬岩相间分布,见图2(软岩层4在主厂房上游,图中没有标出)。软岩强度和弹性模量总体偏低,抵抗变形的能力较差,层与层之间连接力弱,基坑开挖后易发生卸荷回弹,同时软岩抗风化能力差,暴露在空气中极易崩解,加之洞室跨度大,存在大型洞室软岩变形与稳定问题。

2 有限元模型

考虑所有洞室的三维有限元模型(简称M1模型)计算网格如图3所示,包括主厂房、主变室、母线洞、主变运输洞、联系廊道、送风机房、排风机房、进厂交通洞、主厂房送风洞、主厂房排风洞、主变室送风洞、主变室排风洞、引水隧洞、尾水隧洞、高压电缆平洞、高压电缆竖井、检修排水廊道、排风竖井、3～6号施工支洞、厂顶锚固洞以及环绕主厂房和主变室的外围3层排水兼锚固洞,同时考虑了软岩等地质构造。为了与以往计算方案进行比较,建立了只包含主厂房、主变室、母线洞、主变运输洞、引水洞、尾水洞的三维简化模型(简称M2模型)计算网格如图4所示。计算采用在岩土工程中应用广泛的有限元通用计算程序ABAQUS,岩石本构模型采用Mohr-Coulomb准则,岩石力学参数见表1。

图2 软岩与厂房关系示意图

图3 考虑所有洞室的有限元三维模型计算网格

图4 考虑局部洞室的简化模型计算网格

围岩类别 密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/(°) ⅢA类25507.00.230.90045.0ⅢB类25507.50.230.95046.4 Ⅳ类 25004.50.260.35033.0 Ⅳ～Ⅴ类 24603.90.260.30530.9 Ⅴ类 23001.50.300.12521.8

3 主要洞室变形特征

主厂房侧墙以顺水流向的水平位移为主,随着开挖的持续进行,侧墙的开挖高度不断增大,侧墙的水平变形也不断增大,尤其是主厂房上下游边墙的中部,软岩层6贯穿处,以及母线洞、主变运输洞、进场交通洞、引水洞与主厂房上下游边墙交叉处。开挖结束后上游墙最大水平位移U2(y方向)为50.18 mm,发生在下部软岩层贯穿厂房上游墙部位,主厂房下游墙的最大水平位移U2(y方向)为-36.07 mm,发生在母线洞与主厂房交叉洞口处,上游墙位移云图见图5,下部软岩层位移云图见图6,下游墙的变形规律与上游墙基本一致。

图5 开挖结束后主厂房上游墙顺水流向位移云图

图6 开挖结束后下部软岩层顺水流向位移云图

4 两种模型计算结果对比分析

4.1 变形对比

M1和M2模型洞周围岩变形规律基本一致。主厂房和主变室上下游边墙以水平位移为主,顶拱和底板以铅直向位移为主,而且随着开挖的进行,洞周围岩的变形逐渐增大。在主厂房顶拱、岩锚梁及母线洞顶部区域分别选取5个关键点(图7),这5个关键点变形随开挖过程(分7步从上向下开挖)的变化规律见图8,上游墙的B、D两点变形指向下游,下游墙的C、E两点变形指向上游,顶拱A点的变形铅直向下。M1模型的上游墙较大水平位移为33.64 mm,发生在B点(附近有软岩层3);下游墙较大水平位移为-25.77 mm,发生在E点,顶拱铅直向位移为-31.10 mm。M2模型相应点上游墙较大水平位移为27.07 mm,下游墙较大水平位移为-21.83 mm,顶拱铅直向位移为-27.79 mm,通过比较可见,M1模型的整体变形比M2模型大,其中上游墙的水平位移偏差达19.5%。

图7 洞室关键点位置示意图

图8 洞周关键点变形随开挖过程的变化规律

4.2 应力对比

M1和M2模型洞周围岩的应力云图分布基本一致,M1、M2模型中相同关键点处的应力变化趋势基本一致。洞室侧墙中部主拉应力较大,在主厂房和主变室拱肩部位和侧墙与底板转角部位有主压应力集中现象。M1模型的最大主压应力为-15.95 MPa,最大主拉应力为0.69 MPa。M2模型的最大主压应力为-14.91 MPa,最大主拉应力为0.66 MPa。在开挖过程中,主压应力没有超过围岩的抗压强度。通过比较可知，M1模型计算结果比M2的稍大,最大主拉应力偏差为4.55%,最大主压应力偏差为6.52%。

4.3 塑性区对比

图9为洞室群开挖完成后主厂房典型截面洞周围岩塑性区分布云图,图9表明M1和M2模型中的塑性区分布规律基本一致,塑性区主要位于贯穿厂房上下游侧墙的软岩内和拱肩处,且上游墙内的塑性区明显比下游墙内的塑性区分布范围大,主厂房和主变室之间没有贯通的塑性区。M1模型的塑性区比M2的塑性区大,其中M1模型上游墙内塑性区深度达14 m,M2模型上游墙内塑性区深度达11 m,表明M1模型考虑的洞室多,其开挖扰动区更大,对主厂房、主变室围岩产生了不利影响。

图9 开挖完成后主厂房典型截面洞周围岩塑性区云图

5 结 论

以重庆蟠龙软岩区抽水蓄能电站地下洞室群为依托,分别建立包括所有洞室的三维有限元模型和只包含主厂房、主变室等部分洞室的三维简化模型,采用非线性有限元法,按照施工组织设计开挖过程对地下洞室群进行了有限元数值分析。计算结果表明:包含所有洞室模型的应力、位移、塑性区均比只包含主厂房、主变室、母线洞等的模型大,其中主厂房上游墙的水平位移差达19.5%,主拉应力偏差为4.55%,主压应力偏差为6.52%,主厂房上游墙塑性区深度相差21.4%。说明主厂房周边小洞室的开挖会削弱围岩的整体性,对主厂房洞周围岩的变形产生一定的影响,建议在进行地下厂房三维有限元分析时有必要考虑不同计算模型的影响，宜选择包含所有洞室的三维有限元模型。