扰动荷载作用下抽水蓄能电站地下厂房围岩稳定性分析

2023-06-02任永政马世纪田志银

华北科技学院学报 2023年3期

王波,王灵,任永政,马世纪,田志银

(华北科技学院矿山安全学院,北京东燕郊 065201)

0 引言

丰宁抽水蓄能电站位于河北省承德市丰宁县内,南距北京市180km,东南距承德市150km。其装机容量、储能能力和地下厂房规模均为世界第一,其地下厂房具有大跨度、大空间、高边墙,高水头的特点,对地下厂房稳定性要求较高。地质资料显示,丰宁抽水蓄能电站地下厂房围岩地质条件复杂,软弱夹层和不利结构面组合较多。在长期载荷的作用下,这部分岩体容易发生流变,洞室的开挖更加速了这部分岩体的流变,处于流变状态的岩体对于冲击扰动非常敏感,电站运营时,机械振动、水流冲击等扰动现象不可杜绝。因此,各种扰动因素加速了流变进程,使岩体稳定性变差,对电站的安全运营极为不利。

针对上述问题,诸多学者进行了相关研究,高延法[1]等提出岩石强度极限邻域、岩石流变扰动效应等岩石力学概念,得出岩石处于强度极限邻域范围内时,扰动效应具有显著作用,并建立了扰动作用条件下蠕变不同阶段的岩石本构方程;王波[2-4]等利用自主研发的流变扰动效应试验仪,进行了红砂岩单、三轴流变扰动压缩试验,分析了在不同围压下,扰动次数与扰动变形、扰动能量的关系;刘峰[5]对泥页岩进行单轴分级加载流变扰动试验,结果表明页泥岩处于较大应力水平时,在扰动作用下,试件的蠕变曲线较大差异,试件蠕变破坏时间明显缩短;王伟[6]基于室内石英砂岩的流变试验结果,建立了一个含全过程损伤积累的流变模型,并用数值模拟验证了模型的合理性。张恩宝等[7]采用离散元软件3DEC和GA+PB人工网络法,对丰宁地下厂房岩石参数进行了反演分析,利用反演得到的力学参数进行地下洞室群开挖前后的数值模拟分析,结果表明地下厂房整体稳定性可以得到保证;Ma K.等[8]利用震监测与数值模拟的研究方法研究了断层距离效应对荒沟抽水蓄能电站主厂房岩体稳定性的影响,研究表明,当距离较低时,受开挖影响的围岩体损伤由拱肩向断层演化,如果强度继续降低,最终造成V型坍塌,随着距离的增加,断层对地下洞室破坏机制和破坏模式的影响减小,地下洞室的安全系数提高;Zhang Qiang等[9]对重庆盘龙抽水蓄能电站地下厂房围岩进行了现场和室内试验,以研究完整岩石和岩体的地质特性。结果表明,大型厂房的稳定性可能受软弱岩(泥岩)层的控制;李仲奎等[10]对锦屏水电站地下厂房岩体流变特性、变形特性的原因做出了解释,并根据数值模拟结果,对施工顺序,支护条件提供了若干对策。左双英等[11]根据某大型水电站地下厂房洞室群开挖和锚固施工的方法,利用FLAC3D模拟了洞室开挖后洞室围岩受力和变形的变化,结果表明该水电站洞室群空间布局、开挖顺序以及支护锚固等方面均合理,地下厂房洞室稳定性可以保证;Behnia M[12]采用点估计法对Azad抽水蓄能电站洞室稳定性进行统计分析,并根据锚杆锚固力和洞室周围的塑性区域分布深度提供适当的支护方案;汤颜春等[13]基于Hoek-Brown准则,通过数值计算,研究了岩石单轴抗压强度、岩石强度指标、第一主应力和第三主应力对锦屏二级电站地下厂房围岩变形和塑性区发展的影响,研究表明,根据围岩变形及塑性区发展程度,该水电站围岩可分为自稳定区域、可控区域和不可控区域,并对三类区域提供了不同的稳定性评判;甘孝清等[14]根据白莲河抽水蓄能电站地下厂房施工阶段围岩变形和锚索锚固力的监测成果,论证了该地下厂房各检测值在合理范围内趋于稳定,地下厂房稳定性可以得到保障;毛浩宇[15]利用微震监测技术和三维离散元相结合的研究方法,得到了白鹤滩水电站地下厂房围岩宏观变形规律,并校验了监测结果与数值模拟结果的准确性;卫洋波[16]根据文登抽水蓄能电站施工期围岩位移的监测数据,论证了该电站围岩变形和支护受力均在安全范围内,认为引起局部变形较大的原因是局部软弱岩体及洞室开挖损伤所致;马雨峰[17]、吕凤英[18]分别对丰宁抽水蓄能电站一期、二期地下厂房施工期围岩变形进行了监测分析,得出两期地下厂房变形的规律。以上学者的研究成果具有较强的实用性和推广性,但关于水流冲击等扰动荷载对地下洞室围岩稳定性的研究很少,抽水蓄能电站地下厂房围岩中的蚀变岩,在长期载荷的作用下容易发生流变,处于流变状态的蚀变岩在扰动载荷的作用下容易发生变形,使岩体稳定性变差,对电站的安全运营极为不利。

因此,本文首先对丰宁地下厂房围岩蚀变带进行分类分析,选取出12条蚀变带作为主要研究对象,通过进行室内流变扰动效应试验,得到基本物理参数、扰动敏感阈值和流变参数,利用ABAQUS有限元软件分析地下厂房位移场、应力场及塑性区分布和厂房12条蚀变带全过程位移变化。结果表明,在扰动荷载作用下,丰宁抽水蓄能电站地下厂房围岩位移场、应力场、塑性区都在稳定可控范围内,12条蚀变带在扰动载荷的作用下的流变变形呈减速流变的趋势,12条蚀变带在100年的扰动作用下的流变变形为5～12mm,不会影响地下厂房的长期稳定性。研究成果对于保障抽水蓄能电站地下厂房安全具有十分重要的意义

1 丰宁抽水蓄能电站地下厂房围岩蚀变带分析

根据可研阶段地质资料和施工阶段勘探平洞揭示,蚀变带广泛存在于地下厂房洞室群当中,高压管道中平段、主变洞顶拱及边墙、主厂房边墙以及尾水系统均有出露,在断层交汇处蚀变更为严重。蚀变带主要表现为形状、颜色与硬质花岗岩岩体不同,根据其特征初步可分为两类,一类蚀变带呈淡绿或暗绿色,片理明显,触之有滑腻感,其质地较软,用指甲便可刮伤之,如图1(a)所示;另一类岩石的粘聚力低,呈碎屑状,一些掉块用手可直接掰开,如图1(b)所示。根据地质资料对岩体蚀变现象及蚀变带分布规律的描述,同时综合所取软弱围岩的矿物成分鉴定结果,可判定这两类蚀变带主要为绿泥岩蚀变带和岩体蚀变岩蚀变带。

图1 丰宁抽水蓄能电站地下厂蚀变带现场照片

根据相关地质资料,丰宁抽水蓄能电站地下厂房共有23条蚀变带,根据蚀变带体积、蚀变程度以及其所处的空间位置这三个影响蚀变带岩体受力主要因素,选取12条蚀变带岩体作为研究对象,用以研究蚀变岩在振动荷载作用下的稳定性。将12条蚀变带编号为1#蚀变带～12#蚀变带,选取蚀变带地质资料见表1,空间位置如图2所示。

表1 选取蚀变带地质资料

2 地下厂房围岩力学参数测定

2.1 试样制取

根据地下厂房洞室群的地质资料及现场查勘结果,现场取样获得硬质花岗岩、绿泥岩、蚀变岩试样,取样位置见表2,为保持试样的真实状态,挖出式样后立即用塑料保鲜膜包裹,在用封口胶带进行密封,以防止含水率发生变化,试件装入木箱后用塑料泡沫进行缝隙填充,防止运输过程损坏。

表2 岩样及所取位置

将现场所取的绿泥岩、蚀变岩、硬质花岗岩三类岩石,用岩心钻孔取样机进行室内岩石取芯,经切割、研磨后最终将其每类岩石制作成高度在50±1mm、直径在25±1mm的φ25mm×50mm标准试件,如图3所示,制作完备的试件保鲜膜包裹,待实验使用。

图3 部分制作完成的岩石试样

2.2 地下厂房围岩基本力学参数测定

为了得到绿泥岩、蚀变岩和硬质花岗岩的基本力学参数以及为扰动载荷作用下岩石单轴流变试验逐级加载划分提供理论基础,首先进行绿泥岩、蚀变岩、花岗岩三类岩石的单轴压缩试验,试验共分三组进行试验,每组三块。测得岩石的单轴抗压强度及轴向和横向应变,再取其平均值。每组试验结果平均值见表3。由表3可知,绿泥岩平均单轴抗压强度值为22.323MPa,蚀变岩平均单轴抗压强度值为42.630MPa,硬质花岗岩平均单轴抗压强度值为75.646MPa。其他相关力学参数见表4。

表3 地下厂房岩石单轴压缩常规试验数据

表4 围岩物理力学参数表

通过表3～表4可以看出,绿泥岩及蚀变岩极限强度强度、弹性模量、剪切模量等远低于花岗岩,且破坏时轴向及横向应变也大于花岗岩,表明这两类岩石有强度低、塑性变形大的特点。因此选取绿泥岩及蚀变岩两类岩石作为重点研究对象,进行扰动载荷作用下流变分析。

2.3 绿泥岩、蚀变岩流变扰动敏感阈值测定

选取形状、节理、结构相似的绿泥岩及蚀变岩各3块(编号为L-1、L-2、L-3;S-1、S-2、S-3),利用RRTS-IV型岩石流变扰动效应试验机,如图4所示,进行单轴流变岩石流变试验,轴向载荷采用逐级加载的方式进行,根据测得的绿泥岩平均单轴抗压强度值22.323MPa,选取5MPa、8MPa、12MPa、16MPa、20MPa五级轴向应力等级进行,蚀变岩单轴抗压强度值为42.630MPa,选取10MPa、20MPa、30MPa、40MPa四级载荷。为保证逐级加载过程缓慢均匀,加载速率不超过500N/s,每级荷载加时间为14h,每30min记录一次实验数据。

图4 RRTS-IV型岩石流变扰动效应试验机

另取绿泥岩及蚀变岩各3 块(编号为L-4、L-5、L-6;S-4、S-5、S-6)进行扰动荷载作用下岩石流变效应试验。轴向载荷逐级加载方式与单轴流变试验相同,待每级载荷下的岩石试件充分流变后施加扰动荷载,冲击砝码的质量为3kg,冲击高度为10cm,冲击方式为冲击砝码做自由落体冲向冲击平台。每次冲击完成后,记录一次读数,多次冲击待记录读数稳定后停止冲击,每次冲击间隔5min,扰动完成后进入下一级荷载的加载,重复上述步骤,直至试件破坏。

由于相同试验下,各类试件的试验结果相似,故绿泥岩试件选取L-2、L-5,蚀变岩试件选取S-2、S-5详细分析。试件L-2、L-5试验结果见图5,试件S-2、S-5试验结果如图6所示。由图5、图6可看出在低轴压条件下扰动荷载作用对绿泥岩、蚀变岩流变影响效果并不显著,其流变曲线与无扰动荷载作用流变曲线几乎重合,随着轴压增加,扰动荷载作用对绿泥岩蚀变岩的流变过程影响逐渐扩大,当加载至最后一级轴压时,L-5、S-5流变曲线斜率逐渐上升,蠕变形式呈加速蠕变发展,破坏时间也早于L-2、S-2的破坏时间。根据S-2、S-5流变曲线扰动效应明显增强的时刻对应的轴压,可认为绿泥岩、蚀变岩的流变扰动敏感阈值分别为17MPa、35MPa。

图5 L-2、L-5试件单轴流变曲线

图6 S-2、S-5试件单轴流变曲线

2.4 地下厂房流变参数识别

由单轴流变试验结果可知,当岩石的应力水平大于一定应力状态时,主要表现为加速流变,而小于这种状态时,主要表现为衰减流变。鉴于此,引入含脆性元件的Burgers模型,如图7所示。

图7 考虑应力状态影响和岩体结构效应的Burgers黏弹塑性模型

图7中,GM为Maxwell体的剪切模量,ηM为Maxwell体的勃性系数,GK为Kelvin体的剪切模量,ηK为Kelvin体的勃性系数[19]。考虑应力状态影响的Burgers黏弹塑性模型方程可以表达为:

(1)

针对绿泥岩、蚀变岩流变试验成果,采用基于Levenberg-Marquardt(简称LM)[19]优化算法的最小二乘法进行地下厂房岩体流变参数拟合。

对于岩石分级加载的流变试验而言,试样所受到的总应力可以用下式表示:

(2)

根据Boltzmann叠加原理,t时刻对应的应变εt(X)由下式计算:

(3)

式中,X为流变模型的参数向量;Δσm为第m级荷载的应力增量;J(t-tm)为与有关的流变柔量;tm为第m级荷载开始的时间;N为t时刻分级加载的次数。目标函数有下式计算:

(4)

式中,εexp(t)为流变试验测试值,tT为试验总用时。

基于上述给出的这一目标函数,利用LM参数识别算法进行反复的迭代寻优,直到目标函数满足设定的允许误差界限,停止计算,获得参数。基于单轴压缩流变试验结果,获取的绿泥岩、蚀变岩与花岗岩流变参数见表5。

表5 获得的围岩流变力学参数

3 边界条件

3.1 几何边界

整体三维模型计算范围为600m×900m×600m(X×Y×Z),其中X轴为厂房上下游方向,指向下游方向为正;Y轴为主厂房纵轴线,从1#机组中心点指向12#机组中心点为正;Z轴铅直向上,底部高程为860m,坐标原点位于1#机组中心点。计算模型总共划分单元数15931253个,节点数为1151236个,如图8(a)所示;地下厂房洞室群主要为主厂房、主变室、尾闸室、尾水管、排水管与交通洞等有大跨度、大体积的洞室,地下厂房洞室群网格示意图如图8(b)所示。

3.2 荷载条件边界

根据丰宁地下厂房初始地应力反演结果[20],地下厂房初始地应力量值范围为:主厂房区域第一应力的量值约为13.75～18.98MPa,第二主应力的量值约为8.4～10.29MPa,第三主应力的量值约为6.03～11.35MPa。主厂房区域以房横向(X向)应力为主,应力约为13.7～17.3MPa;厂房纵向(Y向)应力约为8.8 ～9.7MPa;厂房竖向(Z向)应力约6.4～10.2MPa。

厂房扰动荷载主要源于水流冲击荷载,震源位置在机组涡轮机处,扰动荷载采用机组发电开机工况尾水管测点振动加速度最大值:横向1.72m/s2厂房纵向1.90m/s2,竖向1.13m/s2;扰动荷载频率为65Hz。

4 计算方法及计算步骤

4.1 计算方法

针对不含绿泥岩及蚀变岩的岩层,破坏准则采用具有拉伸截断的复合Mohr-Coulomb准则,在主应力平面(σ1,σ3)中,其破坏包络线由M-C破坏准则;针对绿泥岩及蚀变岩等容易发生流变的岩层,采用含脆性元件Burgers流变模型演算其流变过程。

4.2 计算步骤

计算步骤根据洞室主要根据洞室开挖步骤制定,洞室开挖步骤方案如图9所示,在洞室开挖结束后,施加扰动荷载,以模拟发电机组开机工作时对厂房围岩的影响,最后一步计算分析步为时间跨度为100年蠕变分析步,用以模拟在扰动荷载作用下地下厂房围岩流变过程。各计算分析步承接与上一个分析步并依次传递到往后的计算分析步中。洞室计算分析步见表6。

表6 地下厂洞室群分析步示意表

图9 厂房、主变洞、母线洞开挖分期示意图

5 计算结果

5.1 围岩位移变形分析

围岩位移的一般规律表现为:主厂房上游边墙位移略大于下游边墙位移,厂房位移较大位置出现在边墙断层出露部位、蚀变岩出露部位、上游边墙中部以及下游边墙与母线洞交叉位置;主变洞上游边墙位移小于下游边墙位移,主变洞较大位移位置出现蚀变岩出露部位、上游边墙中部以及母线洞与下游边墙相交位置。

厂房底板上抬位移小于顶拱下沉,顶拱最大竖直位移约为75mm,出现在2#机组0+24桩号Ⅳ类围岩处,如图10所示;一期厂房上游边墙位移值大于二期,一期厂房最大位移约68mm,出现在5#机组0+105桩号高程988.00处;二期厂房最大位移约60mm,出现在0+205桩号高程985处。二期厂房下游边墙位移值大于一期,二期最大位移约100mm,出现在7#机间0+225桩号高程996～1005m之间。1#副厂房、安装场、1#、2#、5#、7#机组中心线截面厂房拱顶、上游边墙和下游边墙三个关键关键部位位移随计算步增量变化见图11所示,根据图11所示,各机组所在洞室关键部位变形呈逐步收敛的趋势,且累积位移均小于100mm,满足水电站地下厂房设计规范[21]要求,地下厂房整体稳定性可以保证。

图10 2#机组剖面竖直位移图

图11 1#副厂房、安装场、1#、2#、5#、7#机组段厂房顶拱及上、下游边墙位移随开挖期变化图

主厂房开挖完成后,洞室周围岩总体处于受压状态,主压应力一般在2～28MPa之间,其中最大值38.34MPa出现在交通洞与排水管廊交汇处,如图12所示,在顶拱及边墙与底板交汇部位有一定程度的压应力集中,最大主压应力达到23MPa。另外,母线洞间岩柱应力较为集中,最大主应力在25MPa以上。

图12 安装场横截面应力云图

上下游边墙中部浅表层及下游边墙与母线洞相交处存在拉应力区,最大拉应力值为0.60MPa。主变室开挖完成后,切向压应力一般为2～14MPa,在上下游拱座及上游边墙与母线洞交汇部位有压应力集中,量值在16MPa,如图13所示。在长期运行条件下,主厂房和主变洞的围岩应力场的分布格局基本保持不变。

图13 下游边墙应力云图

5.2 围岩塑性区分析

洞室开挖后,随着工作面逐渐下移,工作面已逐渐远离顶拱,顶拱部位塑性区深度变化不大,基本趋于稳定。边墙中部塑性区深度较大,厂房和主变洞间的岩柱塑性区连通性强,但基本仍处可控范围内,洞室群整体稳定性可控。

主厂房顶拱塑性区深度一般为6～12m,局部塑性区最大深度约24m,位于桩号0+220m的顶拱处,如图14所示;上游边墙一期塑性区深度大于二期,深度一般为10～23m;主变洞顶拱塑性区深度一般为5～7m,局部塑性区最大深度约22m,位于2#机桩号0+018m受11#蚀变带分布影响;上下游边墙塑性区深度一般为6～11m,上游边墙塑性区图见图15,由图15可知,3#、4#、8#机组主厂房上游边墙受出线支洞等开挖的影响,深度稍大,达到15m,上游边墙与厂房间、下游边墙与出线支洞间的岩柱塑性区基本贯通。第八期开挖完成后塑性区体积约1.65×106m3,占比3.83%,后续分析对顶拱塑性区深度影响不大,顶拱已基本处于稳定状态。边墙中下部塑性区深度增加较快,厂房和主变洞间部分岩柱塑性区连通性强,但基本仍处于锚索长度控制范围内,洞室群整体稳定性是有保证的。

图14 7#机组横截面塑性区示意图

图15 上游边墙塑性区示意图

5.3 扰动荷载作用下蚀变带岩体长期稳定性分析

1#～12#蚀变带全过程位移图如图16所示,在第10计算步骤时开始施加扰动荷载,在第11计算步骤将分析类型为蠕变分析,蠕变年限设置为100年。由图16(a)～(c)各蚀变带在扰动荷载(主要为水流冲击荷载)下其最终变形量在40～85mm之间,其中2#蚀变带(厂左0+21～厂左0+107,高程972～1002m)处最终位移最大,其值为84.65mm,5#蚀变带、6#蚀变带、7#蚀变带、12#蚀变带最终累积位移也大于60mm,各蚀变带累积位移图都收敛于最后一个分析步,即在扰动荷载作用下,蚀变带在100年的下其蠕变变形最终收敛不会发生强度破坏。

图16 1#～12#蚀变带全过程位移图

由图16(a)～(c)可以看出,当岩体进入到扰动荷载分析步时,冲击荷载使蚀变带围岩产生4～6mm位移增量;当进入至蠕变分析步时,各蚀变带位移5～12mm增长,即100年的蠕变位移小于10mm,其增长趋势呈减速蠕变趋势,说明在冲击荷载的作用下不会使蚀变带岩体蠕变过程加剧,可认为丰宁抽水蓄能电站地下厂房软弱围岩变形在水流冲击等冲击荷载作用下仍可长期稳定保持收敛,蚀变带不会发生局部稳定性失稳破坏。