地下厂房不同失稳模式下危石加固机制研究

张 志

(桓仁西江发电有限公司,辽宁 本溪 117200)

1 工程概况

胜利水电站属于辽宁省在苏子河上规划建设的重要水利工程，其坝址位于新宾县胜利村境内。胜利水电站是苏子河梯级开发中的最后一级，是一座以发电为主，兼具各种综合功能的大型水利枢纽工程[1]。该工程的设计装机容量为14 100 kW，设计年发电量为3454万kW·h。电站的设计库容为6.98亿m3，设计洪水为30 a一遇，设计水位为146.78 m，校核洪水为100 a一遇，校核水位为148.07 m，水库的正常蓄水位为146.00 m，死水位为145.40 m[2]。胜利水电站坝址位置位于苏子河上游的峡谷内，两岸山高谷深，河道弯曲，“S”型，工程河段总体为右凸岸，坡度较大，平均坡度为40°～45°。胜利水电站的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[3]。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，且位于高应力区域，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，研究开挖卸载条件下的危石锚固和加固机制，对地下洞室的安全施工和稳定运行具有重要意义。

2 研究方法

2.1 3DEC离散元计算模型

离散单元法(DEM)是当前岩土工程理论研究中的重要方法。该方法认为岩体并不是一个完整的整体，而是被其内部的节理和裂隙分割成大小不等、形态各异的岩块，这些岩块以镶嵌的方式排列，通过各种作用力结合在一起，呈现出一种基本的稳定状态。当岩体受到外力作用的情况下，不仅会造成岩体自身的应力和位移变化，同时岩体内部各个块体之间的位置以及相互作用也会产生改变[4]。由于该方法将岩体视为若干小块体组成的整体，因此在对岩体的滑移或旋转进行模拟方面具有显著优势，可以大幅提升模拟精度，进而分析岩体工程破坏过程[5]。3DEC是一款以离散单元法为基础的岩土工程软件，因此十分适合节理岩体等内部存在不连续面的变形与破坏机理研究，在处理这类岩体在外部荷载作用下的静态和动态响应方面具有显著优势[6]。

2.2 3DEC离散元计算模型的构建

模型以顺河向指向下游方向为Z轴正方向，以垂直于Z轴指向右岸的方向为X轴正方向，以竖直向上的方向为Y轴正方向。考虑模型的边界效应，X方向长200 m，Y方向长100 m，Z方向长50 m。模型采用正六面体八节点网格划分，其中围岩和厂房部分模型的网格设置为3.0 m，危石部分网格为2.0 m。整个模型共划分为687 940个计算单元，754 938个计算节点。模型的网格划分示意图如图1所示。在模型计算过程中，将模型的上表面设置为自由边界条件，不施加任何约束，对模型的四周按照实际情况设置为法向位移约束，鉴于模型底部基岩十分稳定，因此对底面设置各向位移约束[7]。地下厂房的开挖方式为全断面开挖，开挖的循环进尺设定为1.0 m。

图1 计算模型网格划分示意图

3 各失稳模式下的加固机制模拟研究

3.1 单面滑移失稳性危石加固机制

根据相关学者的研究结论，拉伸、拉剪和压剪破坏是单面滑移失稳性危石加固中锚杆的主要破坏形式[8]。研究中设置开挖无支护(工况1)、设置3根受拉锚杆(工况2)以及设置3根受压剪锚杆(工况3)三种不同的加固工况进行模拟计算。不同工况下的危石总位移以及X向和Y向位移曲线如图2～图4所示。由图2可知，在没有采取支护措施的情况下，在完全揭露前，危石各个顶点的位移呈为缓慢增长特征。在整体开挖14步之后，位移量呈现出急剧增加的态势，在第17步时，位移量已经达到0.1 m。同时，各顶点的位移量和方向基本一致，没有发生扭转变形。由图3可知，在第13步和第14步分别设置2根和1根受拉锚杆。受到锚杆的作用，位移呈现出缓慢增长态势，直至开挖施工完毕，危石的最大位移量为5.6 mm。由图4可知，在第13步和第14步分别设置2根和1根 压剪锚杆。受到锚杆的作用，位移呈现出缓慢增长态势，直至开挖施工完毕，危石的最大位移量为5.2 mm，其锚固效果和工况2基本相同。

总之，对单面滑移失稳性危石加固，设置受拉锚杆或压剪锚杆进行支护，可以起到基本相似的锚固效果。因此，设置受拉或压剪锚杆均可。

图3 工况2危石位移曲线

图4 工况3危石位移曲线

3.2 双面滑移型危石加固机制

根据相关学者的研究结论，拉伸、拉剪和压剪破坏也是双面滑移失稳性危石加固中锚杆的主要破坏形式。研究中设置开挖无支护(工况4)、设置2根受拉锚杆(工况5)、设置两根受拉剪锚杆(工况6)以及设置2根受压剪锚杆(工况7)四种不同的加固工况进行模拟计算。不同工况下的危石总位移以及X向和Y向位移曲线如图5～图8所示。由图5可知，在没有采取支护措施的情况下，危石所有顶点的位移变化基本一致，在16步之前，由于没有完全揭露前，危石各个顶点的位移呈为缓慢增长特征。之后，位移量呈现出急剧增长的特点，达到1.2 mm，然后位移变化稍微稳定，之后又迅猛增长。此外，危石的各顶点的位移量和方向基本一致，没有发生扭转变形。由图6可知，在第13步设置2根受拉锚杆。受到锚杆的作用，位移呈现出缓慢增长态势，直至开挖施工完毕，危石的最大位移量为5.7 mm。从各顶点位移来看，结构面中线临空点的累积位移量最大，沿边位移相对较小，局部发生微小的拉伸变形。由图7可知，在第13步设置2根拉剪锚杆。受到锚杆的作用，位移呈现出缓慢增长态势，直至开挖施工完毕，危石的最大位移量为5.5 mm。从各顶点位移来看，呈现出与工况5类似的特点，说明锚固效果与工况5类似。由图8可知，在第13步设置2根压剪锚杆。受到锚杆的作用，位移呈现出缓慢增长态势，直至开挖施工完毕，危石的最大位移量为6.1 mm。

图5 工况4危石位移曲线

图6 工况5危石位移曲线

图7 工况6危石位移曲线

图8 工况7危石位移曲线

3.3 危石锚固优化设计

通过上节的模型计算结果分析可知，对单面滑移型危石，采用受拉或受压剪作用锚杆，锚固效果基本相同，对双面滑移型危石，受拉或受拉剪作用锚杆能够获得更好地锚固效果。因此，在具体地下厂房洞室施工过程中，应该利用先进的地质勘测手段，确定危石的位置、形态、主结构面等相关信息，进而确定其失稳类型。然后结合本文的计算成果，采取不同的锚固措施。

对于单面滑落型危石，如果施工条件允许，可以设置与危石失稳方向垂直的受拉或压剪锚杆。结合相关工程设计经验，如果采用压剪锚杆，在锚杆数量相同的条件下，采用垂直于切向力，多排大间距布设可以获得更好的抗剪效果，锚固的角度建议在55°～75°之间，具体角度结合危岩的实际情况确定。

对于双面滑动型危石，如果工程条件允许，可以设置与危岩失稳方向垂直的受拉或受拉剪锚杆。

4 结 语

研究中通过建立典型洞室围岩危石模型，通过数值模拟的方式，对危石的不同锚固方式进行模拟计算，结果显示，如果施工条件允许，单面滑落型危石可以设置与危石失稳方向垂直的受拉或压剪锚杆；双面滑动型危石可以设置与危岩失稳方向垂直的受拉或受拉剪锚杆。根据本次研究获得的危石锚固方案优化设计结果，可以为胜利水电站危石锚固方面提供有效的理论依据以及锚固施工的具体工程建议，对相关类似工程的施工设计也具有一定的借鉴价值。