Khan Khwar電站豎井式廠房開挖過程仿真模擬

魯永華 任智鋒 顧小兵 郭西方

巴基斯坦Khan Khwar電站主廠房位于印度河與KaraKoram主干公路之間的小山包處。主廠房地面高程略高于廠區(qū)地面高程,為586.0m。主廠房長50.7 m,寬19.6m,總高度43.70m,其中地面以上高度為16.00m,地面以下深28.0m。主廠房內(nèi)布置2臺混流式機組。2臺水輪發(fā)電機安裝在豎井內(nèi),豎井長28.25m,寬22m,兩端為半徑11m的圓弧段。場區(qū)及豎井開挖前、后地形見圖1。

圖1 豎井廠房廠址地形地質(zhì)

1 工程地形、地質(zhì)情況

電站場址位于印度河右岸坡腳地帶,為斜坡地形,坡度 15°～20°,并有一小山包,地面高程580～605m。電站廠房位于小山包處,廠區(qū)基巖裸露,出露地層為Besham組淡色花崗巖和花崗片麻巖,堅硬、致密,局部見有赤鐵礦蝕變帶,一般巖體完整性尚可。強風(fēng)化深度18.5～19.2m,弱風(fēng)化深度31.1～40.7 m。地基巖石堅硬致密,強度、承載力高,強風(fēng)化帶深度大,開挖豎井式電站基礎(chǔ)基本可坐落在弱風(fēng)化巖體上。

2 計算內(nèi)容及目的

對電站廠區(qū)及廠房豎井的分步開挖過程進行仿真模擬:模擬初始地應(yīng)力場,為后續(xù)開挖計算提供初始計算條件;了解各步開挖后巖體變位、應(yīng)力、應(yīng)變和巖體塑性區(qū)的分布及范圍;對各步開挖后圍巖的穩(wěn)定進行分析評價;若巖石失穩(wěn)或塑性區(qū)范圍過大需采取噴錨等工程措施進行處理時,模擬處理效果;根據(jù)分析成果為設(shè)計提供合理化的建議。

3 計算模型及計算方法

3.1 計算模型

根據(jù)廠區(qū)地形、地質(zhì)特征和豎井式廠房及場區(qū)的開挖設(shè)計,建立三維實體模型,巖石材料按照強風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化地質(zhì)分界線分為3層,分別賦予相應(yīng)的物理、力學(xué)指標(biāo)。計算模型在水平 x、y向長度均取橢圓洞室相應(yīng)軸長的7倍;垂直方向上:豎井上部為實際地形特征,豎井底板以下的深度取豎井深度的3倍。模型底面固結(jié),側(cè)面約束水平向位移。

為較真實的模擬廠房豎井開挖過程,巖石采用彈塑性非線性材料模擬,彈塑性材料采用Drunker-Prager(D-P)本構(gòu)模型。計算單元采用六面8節(jié)點Solid45實體單元。Drucker-Prager材料數(shù)學(xué)本構(gòu)模型采用的是相適應(yīng)的流動法則,并且認為其具有理想塑性屈服特征。計算中采用各類巖石物理、力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 巖石物理、力學(xué)指標(biāo)

3.2 分步開挖過程仿真模擬

豎井開挖仿真模擬中,分析模型的質(zhì)量分布狀態(tài)不斷變化,從而導(dǎo)致模型的剛度分布、邊界條件等也相應(yīng)改變,模擬難度較大,分析中借助ANSYS有限元分析系統(tǒng)提供的單元生死技術(shù)(Element Birth and Death),實現(xiàn)廠房場區(qū)及豎井分步開挖、襯砌的仿真模擬。

依據(jù)場區(qū)及豎井開挖的施工順序,分以下計算步驟計算。

(1)對計算模型加載重力場作用,進行開挖前巖體初始應(yīng)力場的模擬。

(2)對高程586.0m以上的廠區(qū)進行開挖。

(3)開挖高程586.0～581.0m間豎井。

(4)開挖高程581.0～576.0m間豎井。

(5)開挖高程576.0～571.0m間豎井。

(6)開挖高程571.0～566.0m間豎井。

(7)開挖高程566.0～561.0m間豎井。

(8)開挖高程561.0～558.3 m間豎井,豎井開挖完成。

在(2)～(8)計算步中,如發(fā)現(xiàn)局部巖石失穩(wěn)或塑性區(qū)開展過大,記錄其位置,建議設(shè)計對其進行噴錨處理,并模擬處理后效果。

4 一些問題的處理方法

4.1 地應(yīng)力問題

巖體中的初始地應(yīng)力由多種因素產(chǎn)生,工程巖體中地應(yīng)力主要來源于地質(zhì)構(gòu)造和地球重力場的作用,大小主要取決于上覆巖層的重量、構(gòu)造作用的類型、強度和持續(xù)時期的長短等。根據(jù)部分工程實測資料的分析,初始地應(yīng)力常具有以下規(guī)律。

(1)一般情況下巖體中的初始應(yīng)力場多是三向不等壓的空間應(yīng)力場,最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力,最小水平主應(yīng)力的數(shù)值則變化較大。

(2)初始應(yīng)力的大小、方向與地質(zhì)構(gòu)造有著密切關(guān)系。一般位于活動斷層的拐彎或交叉處的斷裂構(gòu)造會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,其它部位的斷裂構(gòu)造反而引起應(yīng)力釋放。

(3)堅硬完整的巖體內(nèi)可積聚大量應(yīng)變能,形成較高的初始應(yīng)力,軟弱破碎巖體中積聚的應(yīng)變能不大,初始應(yīng)力較低。脆性、高強度的巖體中往往積聚較大的初始應(yīng)力。

(4)巖體上覆巖層的重量是形成巖體初始應(yīng)力的基本因素之一,一般認為,巖體垂直初始應(yīng)力基本上與上覆巖體的重量(γ H)相等。

(5)地形、地貌對初始應(yīng)力有一定的影響,地形被切割后必然引起應(yīng)力重分布。

Khan Khwar電站豎井式廠房位于一小山包處,山包位于印度河右岸坡腳地帶,在KKH公路與小山包之間有一深槽,山包另外兩側(cè)地勢較為平緩?？紤]場區(qū)的地形、地質(zhì)情況,結(jié)合地應(yīng)力以上分布特征可推測電站廠址部位構(gòu)造應(yīng)力不大,初始地應(yīng)力以自重應(yīng)力場為主,計算中只考慮重力場引起的地應(yīng)力。

4.2 加固措施的模擬

廠房豎井的開挖模擬依據(jù)實際施工過程分步進行,在各步計算中,若豎井圍巖失穩(wěn)或出現(xiàn)較大塑性區(qū)(巖石失穩(wěn)表現(xiàn)為計算不收斂),可采用超前小導(dǎo)管注漿、噴錨等措施對其進行加固處理。錨桿的主要作用并非其自身強度對整體剛度矩陣的貢獻,因為在整個體系中,錨桿剛度和周圍巖體的剛度相比是微不足道的,噴錨的的實際作用是在施工過程中及時加固巖體、限制塑性區(qū)發(fā)展,維持巖體的連續(xù)性和完整性,從而能夠很好地起到自撐作用。若計算中結(jié)果顯示需對豎井圍巖進行噴錨等工程措施處理,則采用提高處理部位巖體 C、Φ值的方法模擬計算。根據(jù)國內(nèi)外研究成果及現(xiàn)場經(jīng)驗,錨固部位圍巖參數(shù)中的C、Φ值能提高20%～30%。

5 計算成果及分析

5.1 初始地應(yīng)場結(jié)果及分析

依據(jù)前面假設(shè),對模型加載重力場作用得到初始地應(yīng)力場,開挖前豎井中心線上各點三向應(yīng)力結(jié)果見圖2。

圖2 開挖前豎井中心線上各點三向應(yīng)力

由圖2得出以下結(jié)論。

(1)大部分區(qū)域,尤其非巖層交界面,巖體的初始應(yīng)力符合自重應(yīng)力場的分布規(guī)律,各向應(yīng)力均為壓應(yīng)力,在靠近地表處的壓應(yīng)力較小,隨著深度的增加,壓應(yīng)力逐漸增大,豎向壓應(yīng)力與Sz=γ H的規(guī)律大致相符。

(2)同一高程面上各點壓應(yīng)力分布規(guī)律基本上反映了上部地形、巖性特征,上部地勢較高,巖石容重較大的部位,壓應(yīng)力較大。

(3)由豎井中心線上各點三向應(yīng)力對比關(guān)系可以看出,側(cè)壓力系數(shù)K0基本與經(jīng)驗關(guān)系式K0=υ/(1-υ)一致(υ為巖石泊松比),水平方向上壓應(yīng)力Sx略大于Sy,主要為場區(qū)地形特點所致。

(4)在圖2中Sx、Sy出現(xiàn)一近似水平段,這是因在此高程范圍內(nèi)為巖層分界線,巖層走勢起伏、巖性變化所致。

5.2 豎井開挖后成果及分析

5.2.1 井壁位移

豎井開挖后井底位移見圖3,井壁位移見圖4。

圖3 豎井開挖后井底豎向位移(單位:mm,豎直向上為+)

圖4 豎井開挖后井壁徑向位移(單位:mm,向內(nèi)收斂為-)

由計算結(jié)果可以看出。

(1)由于豎井及場區(qū)開挖的卸載作用,井壁、井底均發(fā)生不同程度的向上的豎向位移,以井底平面為大,井底中部的豎向位移為1.00mm。

(2)豎井開挖后,井壁發(fā)生向內(nèi)的徑向位移,豎井下部的徑向位移較小,中部和上部較大,這主要是因為下部井壁壓重較大、巖石工程性能指標(biāo)較優(yōu)所致。總的看來,徑向位移較小(最大位移0.12mm),說明設(shè)計選用豎井?dāng)嗝嫘问捷^優(yōu),成拱效應(yīng)較明顯。

(3)井壁的徑向位移在各高程斷面上分布不均勻,這主要是由于地形高低起伏、巖層變化、豎井頂部各部位開挖卸載程度不同造成的。

5.2.2 井壁應(yīng)力

豎井開挖后井壁環(huán)向、豎向應(yīng)力分別見圖5、6。

圖5 豎井開挖后井壁環(huán)向應(yīng)力圖(單位:105Pa,-為受壓)

由計算結(jié)果可以看出。

(1)井壁各高程環(huán)向、豎向應(yīng)力均為壓應(yīng)力,無拉應(yīng)力。

圖6 豎井開挖后井壁豎向應(yīng)力圖(單位:105Pa,-為受壓)

(2)井壁的環(huán)向、豎向應(yīng)力均隨深度的增加而增大,最大值出現(xiàn)在井底高程,分別為1.01mPa和1.71mPa,小于巖石的允許抗壓強度3～5MPa。

(3)井壁的豎向、徑向應(yīng)力在各高程斷面上分布不均勻,主要是地形高低起伏、巖層變化、豎井頂部各部位開挖卸載程度不同造成的。

5.2.3 井壁塑性區(qū)

豎井開挖后井壁巖體塑性應(yīng)變等值線見圖7,高程583.0m平面塑性應(yīng)變等值線見圖8。

由圖7、8可知:塑性區(qū)主要出現(xiàn)在豎井上部高程580.0～586.0m之間,平面上塑性區(qū)在靠印度河位置較發(fā)展,距井內(nèi)壁約6.0m,井壁最大塑性應(yīng)變6×10-5,綜合考慮豎井周圍塑性區(qū)的分布及塑性應(yīng)變的大小,豎井圍巖穩(wěn)定。

圖7 井壁巖體塑性應(yīng)變等值線圖

圖8 高程583.0m平面塑性應(yīng)變等值線圖

6 結(jié)論及建議

從計算成果看,場區(qū)開挖及廠房豎井各步開挖過程中,圍巖中未出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力及塑性開展區(qū),總體而言,豎井圍巖是穩(wěn)定的。井壁處巖石開挖時建議采用預(yù)裂爆破,以減小爆破的影響范圍和提高井壁的平整度。本計算根據(jù)強風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化地層分界線將巖石分為3種彈塑性材料,每種巖石均視為均一、各向同性,計算結(jié)果亦是在此基礎(chǔ)上取得,考慮到地質(zhì)情況的復(fù)雜性和多變性,施工過程中應(yīng)做好監(jiān)測工作,以便根據(jù)現(xiàn)場實際情況,及時采用相應(yīng)的處理措施。