软岩力学参数取值对洞室围岩变形应力及塑性区影响的敏感性分析

陈张华，陈昱彤，邓 洋，虞东亮，张 恒

(1.重庆蟠龙抽水蓄能有限公司，重庆401452；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014；3.河海大学水利水电学院，江苏南京210098)

0 引 言

利用有限元法模拟地下洞室群开挖过程，计算结果与岩石力学参数的关系密切[1]。对岩石参数进行敏感性分析，为精细化选取参数提供了有效途径，同时也能提高模拟结果的可靠性[2]。在地下洞室围岩力学参数敏感性研究方面，侯哲生等[3]、孙毅等[4]、申艳军等[5]先后对不同的地下洞室群岩石力学参数的敏感性问题进行了分析；蒋兵等[6]讨论了Unwedge程序在敏感性分析上的应用；王振等[7]提出了基于EFAST法的地下洞室静动力稳定参数全局敏感性分析方法；聂卫平等[8]提出了基于弹塑性有限元的洞室稳定性参数敏感性灰关联分析方法。上述研究对于分析地下洞室群围岩力学参数敏感性有重要意义，但计算模型未考虑所有洞室开挖的影响。

目前，针对地下厂房全洞室开挖过程，软岩区力学参数敏感性问题的研究相对较少。为此，本文以蟠龙抽水蓄能电站地下洞室群为研究对象，重点研究厂区软岩力学参数取值对地下厂房围岩的影响，从而对软岩力学参数敏感性问题进行讨论。

1 工程概况

蟠龙抽水蓄能电站建筑物主要包括上水库、下水库、地下厂房系统、输水系统等。其中，地下厂房系统按尾部式布置，包含4机组，总装机容量达1 200 MW。洞室上覆岩体厚度约为40～480 m，洞室开挖区主要分布有6层软岩层。主厂房开挖尺寸为169.00 m×24.00 m×54.425 m(长×宽×高)，主变洞开挖尺寸为139.40 m×20.30 m×21.20 m(长×宽×高)。主厂房、主变洞、软岩分布见图1。

图1 1号机组段主厂房、主变洞及其软岩分布

2 有限元模型

采用模拟所有洞室开挖过程三维有限元计算模型，对地下厂房洞室群施工过程进行仿真模拟，分析软岩参数对地下洞室群稳定的敏感性特点。根据主厂房位置及洞室布置形式、断面尺寸，模拟地下厂房洞室群实际洞体结构，包括主厂房、主变室、主变运输洞、进厂交通洞、母线洞、排风洞、通风兼安全洞、引水隧洞、尾水隧洞、高压电缆平洞、施工支洞(3、4、5、6号)、厂顶锚固洞、环绕主厂房和主变室外围3层排水兼锚固洞、排风机房、送风机房、主厂房送排风洞、主变室送排风洞、检修排水廊道、联系廊道、高压电缆竖井、排风竖井，以及对厂房区围岩稳定影响较大的6层软岩。

计算坐标系：以主厂房1号机组中心为坐标原点位置；以主厂房轴线为x轴，指向副厂房方位为正方向；以水平面内垂直x轴为y轴，指向主变室方位为正方向；以竖直方向为z轴，以竖直向上为正方向。

计算范围：按主厂房、主变室洞周围岩影响范围选取计算区间，主厂房左侧墙向外延伸800 m，右侧墙延伸350 m；主厂房上游墙向外延伸425 m；主变室下游墙延伸250 m；主厂房底板底面向下延伸250 m，向上取至地表表面。

计算模型：模型计算网格节点数为649 612个，单元数为3 802 630个。计算采用Mohr-coulomb屈服准则。地下厂房有限元网格见图2。

图2 地下厂房有限元网格

围岩特征：计算范围内洞室围岩分布以III类为主、IV类次之、V类最少，占比分别为75%、20%与5%。III类围岩主要为紫红色中细粒砂岩、砾岩、含砾粗砂岩；IV类围岩主要为砾岩、粉砂岩；V类围岩主要为泥质粉砂岩、泥岩。本文中的软岩指IV类与V类围岩。

施工过程：地下厂房洞室群共分17个开挖步，前7步主要是通风安全洞、主变排风洞、锚固洞及施工支洞等，第8步开始主厂房开挖。

3 软岩参数敏感性分析

围岩变形模量试验值为区间量，以软岩变形模量取上限值为工况1，取下限值为工况2，分析地下厂房的位移、应力及塑性区特征。2种工况下洞室围岩物理力学参数见表1。从表1可知，工况2与工况1相比，IV类围岩变形模量减小了7.14%，V类围岩变形模量减小了66.67%。

表1 围岩物理力学参数

表2 厂区最大位移与应力值

表2为2种工况下厂区部分位置的最大位移、最大拉应力与最大压应力。其中，硬岩位置为主厂房上游墙、主厂房下游墙、主变室上游墙、主变室下游墙，软岩值取自软岩层较厚的软岩6。从表2可知，软岩变形模量降低后对洞周变形影响明显，洞周围岩的变形普遍增大，主厂房顶拱铅直向下的位移由32.35 mm增大至34.97 mm，增幅达8.10%；主厂房上游墙软岩沿水流方向的位移由50.18 mm增大到59.21 mm，增幅为18%；主厂房端墙软岩沿厂房轴线方向的位移由24.23 mm增大至27.44 mm，增幅达13.25%。软岩变形模量降低对主厂房洞周应力影响不明显，主厂房洞周围岩主拉应力由0.837 MPa减小至0.835 MPa，降幅为0.35%；主厂房洞周围岩主压应力由-33.81 MPa增大至-34.51 MPa，增幅为2.07%。2种工况下主厂房塑性区分布规律一致，塑性区延伸深度差别在10%以内。

图3 工况1主厂房上游墙位移云图(单位：m)

2种工况的位移、应力及塑性区分布基本一致，量值有明显差异，图3为工况1主厂房上游墙(含硬岩与软岩)3个方向位移分布云图。从图3可知，沿厂房轴线方向的变形最大值出现在主厂房两侧端墙，均为收敛变形。其中，端墙开挖高度较小一侧最大变形值为-18 mm，端墙开挖高度较大一侧最大变形值为24.23 mm。沿水流方向的变形最大值位于侧墙中部，达到50.18 mm。沿铅直方向变形最大值出现在厂房顶拱与底板位置，其中，顶拱变形主要为铅直向下，达到-32.35 mm，底板变形主要为回弹变形，达到39.14 mm。

4 结 语

本文以蟠龙抽水蓄能电站地下洞室群为对象，进行了软岩力学参数敏感性分析，研究软岩参数对地下厂房稳定的影响。结果表明，软岩变形模量降低后对厂区的位移、应力状态、塑性区均有影响，其中对位移影响最为显著，主厂房沿水流方向硬岩的位移增幅达16.10%、软岩的增幅达18%；应力和塑性区的变化均在10%之内。建议在地下洞室群有限元模拟时，增加对软岩力学参数的敏感性分析，结合不同参数下的厂区变形特征，综合确定敏感性高的危险区域，为洞室设计提供科学依据。