胜利水电站地下厂房围岩安全系数及预警研究

(辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

1 工程概况

胜利水电站位于新宾县胜利村境内的苏子河上，是辽宁省规划的苏子河梯级开发中的最后一级[1]。坝址位于苏子河上游的峡谷段内，河道呈弯曲的“S”形，总体为右凸岸，坡度为40°～45°，有残存的Ⅲ级基座阶地，高程为320.00～341.20m，河床覆盖层厚5～16m。胜利水电站开发方式为河床式。电站设计装机总容量为14100kW，多年平均发电量3454万kW·h。水库校核洪水位(P=1%)148.07m；设计洪水位(P=3.33%)146.78m；正常蓄水位146.00m；死水位145.40m；P=1%洪水相应下游水位144.39m；P=3.33%洪水相应下游水位143.24m；正常蓄水位情况下尾水位139.29m；电站发电最大水头7.33m；额定水头6.10m。工程设计库容为6.98亿m3。胜利水电站是一座以发电为主，兼具防洪、养殖等综合效益的Ⅳ等大型水利枢纽工程。

胜利水电站地下发电厂房位于大坝左岸，其地质构造主要是原生构造、断裂构造以及褶皱构造。其中，断裂构造主要为断层、裂隙和节理以及层内和层间错动带，构造变形形式和构造组合相对比较简单。由于地下厂房属于跨度较大的地下洞室结构，构造合适的数学模型对围岩变形进行预测模拟，并进行相应的预警研究，对保证施工安全具有重要意义[3]。对胜利水电站的地下洞室开挖支护工程而言，由于地下厂房位于高应力区域，在开挖过程中出现了大量掉块、片帮以及结构面劈裂等围岩卸荷现象，因此，对围岩变形破坏进行预警十分重要。

2 基于强度折减法的围岩安全系数

2.1 计算模型的构建

利用FLAC3D有限差分软件，建立胜利水电站地下厂房的地质概化模型(见图1)，对地下厂房的开挖和支护过程进行模拟，建立地下厂房的数值模拟系统[4]。网格单元采取六面体八节点实体单元，整个模型共划分为687940个计算单元、754938个计算节点。水电站的地下主副厂房需要分十次开挖，限于文章的篇幅，本次研究仅列出对第Ⅷ层开挖支护过程中的围岩安全系数的分析研究成果。

图1 地下厂房三维地质模型

2.2 强度折减法的基本原理

张黎明等学者针对莫尔-库仑材料进行研究，确定了求解安全系数的方法，其数学表达式如下[5]：

(1)

式中Ftr——围岩安全系数；

τ——破坏面上的实际滑动力；

s——滑裂面上的抗剪强度。

FLAC3D强度折减法不仅可以模拟岩体和支护结构的共同作用，也可以对围岩岩体变形的逐步发展进行模拟，同时在进行安全系数的求解时并不需要对围岩滑动面的形状进行事先假定和条件划分，与传统的安全系数求法相比具有一定的优势[6]。强度折减法的基本原理为：安全系数计算过程中不断降低岩体的强度指标，利用折减后的参数代替原参数计算围岩的稳定性，通过反复折减操作，直至围岩发生失稳破坏，此时利用式(1)获得的安全系数即为地下厂房的安全系数。在实际的工程应用中，由于围岩的稳定性存在较多的影响因素，因此在判别标准方面也尚未形成统一的意见。本次研究中结合胜利水电站地下洞室的具体情况，认为地下厂房达到临界状态时将会发生位移突变，从而使能够正常收敛的计算过程不再具有收敛性。因此，研究中将上述指标作为厂房失稳的判断标准。

2.3 地下厂房围岩变形破坏安全系数的计算

在利用强度折减法进行围岩安全系数计算过程中，确定首项1.0、公差为0.25的等差数列进行围岩强度折减。在计算过程中一旦发生位移和应力值的突变，就减小折减系数的变幅[7]。计算过程显示，折减系数从1.0到2.0，就可以实现围岩变形直至破坏的全过程的反映，最终获得折减系数和围岩强度参数之间的对应关系，结果见表1。

表1 折减系数与围岩强度参数计算结果

在不同折减系数下，对胜利水电站地下厂房特征点的位移进行计算，结果见表2。由表2可知，胜利水电站地下厂房顶拱的沉降量以及岩梁的水平位移均随着折减系数的增加而增大。具体而言，折减系数由1.0增加到1.75时，拱顶的沉降量由105.68mm逐渐增大到109.85mm，而岩梁的水平位移则由58.70mm逐渐增大到64.24mm，在这一过程中，变形量虽然呈现出增大的态势，但是增加的幅度并不大。但是，当折减系数大于1.75时，两个特征点的位移量增加速率迅速增加，当折减系数为1.95时，拱顶的沉降量迅速增大到149.22mm，而岩梁的水平位移也迅速增大到80.21mm。根据施工现场的监测数据，此时地下厂房的变形量已经达到警戒值，可能会诱发大范围的围岩破坏并造成厂房的整体破坏，因此，地下厂房的安全系数应该设定为1.75。

表2 不同折减系数下地下厂房特征点位移计算结果 单位：mm

3 围岩破坏预警标准研究

围岩的变形速率趋于变小并最终趋向于0是围岩达到稳定状态的重要表征，而围岩的变形速率不断增大则是围岩失稳的重要表征。因此，国内外对围岩稳定的判别标准就以此为重要依据[8]。在工程技术应用中，地下洞室围岩稳定性的判断依据主要有两个，一是围岩的变形速率，二是围岩的变形值。一般认为地下洞室的围岩变形速率或者变形值超过某一阈值，即认为围岩的岩体就处于不稳定状态，即将发生失稳破坏。为了能够准确、系统地反映地下洞室的围岩稳定状态，做好地下洞室工程施工的围岩稳定预警工作，需要综合运用位移速率、位移加速度以及位移量。

结合文本研究对象的实际情况，确定胜利水电站地下厂房围岩失稳破坏的两个预警标准，为今后类似工程建设中的设计和施工提供一定的理论指导和经验借鉴。具体确定思路如下：根据相关学者的理论研究和实际工程经验总结，地下洞室结构的围岩失稳破坏可以划分为初期变形阶段、平稳发展阶段以及加速变形阶段。在初期变形阶段和平稳发展阶段，围岩的位移变形处于匀速状态，变形量变化较小，意味着地下洞室结构处于相对安全状态；当地下洞室围岩进入加速变形阶段时，围岩的位移变形量迅速增大，说明地下洞室围岩处于不稳定状态，需要引起相关人员的重视并进行报警；如果围岩变形进一步呈现出持续加速变化状态时，就需要采取有效保护措施，防止地下洞室坍塌等施工事故的发生。由此可见，对于地下洞室结构的破坏预警，掌握围岩加速变形时的数据极为关键，并认为当围岩变形量大于加速变形阶段的起始值时，即为预警预报的最佳时机。

利用上节构建的模型和计算方法，对胜利水电站左岸地下厂房的顶拱与岩梁两个特征点最大变形的累积位移和变形速率进行计算，同时结合与之相对应的开挖施工高度和测线长度，得到加速变形阶段的相对变形速率和变形值，并基于上文分析，获得围岩破坏预警标准见表3。

表3 围岩破坏预警标准

4 结 语

本文利用构建的数值模型，利用折减系数法对胜利水电站地下厂房开挖过程中的围岩破坏安全系数进行计算研究，结合胜利水电站地下厂房围岩变形特点，建立地下厂房围岩变形的FLAC3D地质概化模型；利用折减系数法对胜利水电站地下厂房围岩破坏安全系数进行计算，获得围岩破坏安全系数为1.75；根据计算成果提出了胜利水电站地下厂房围岩变形破坏的两个预警标准。本文确定的围岩破坏预警的两个标准，可为相关工程设计和建设中的安全预警体系提供理论支持和技术参考。