水電站地下廠(chǎng)房開(kāi)挖過(guò)程彈塑性數(shù)值分析

郭 健

1 工程概況

某水電站為一閘壩引水式水電站，裝機(jī)90MW(3×30MW)，屬于Ⅲ等中型工程，電站由樞紐、引水發(fā)電隧洞、調(diào)壓井、高壓水道及地下廠(chǎng)房等建筑物組成。地下廠(chǎng)房由主副廠(chǎng)房、安裝場(chǎng)、母線(xiàn)洞、出線(xiàn)豎井、尾水支洞、排水廊道、廠(chǎng)房交通洞、地面升壓站等建筑物組成。主廠(chǎng)房設(shè) 3臺(tái)30MW混流式機(jī)組，總裝機(jī)90MW;地下廠(chǎng)房交通洞長(zhǎng) 1 430m，采用城門(mén)洞型結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土襯砌，斷面尺寸為7m×6.5 m(寬×高)，開(kāi)挖斷面8.0m×7.0m。主廠(chǎng)房設(shè)計(jì)長(zhǎng)度48.5m，寬度16.9m，建基高程2 009.80m，副廠(chǎng)房設(shè)計(jì)長(zhǎng)度21.3m，寬度16.9m，建基高程2 019.8m，廠(chǎng)房穹頂高程2 043.44 m，主副廠(chǎng)房呈一字形布置，總體開(kāi)挖尺寸為69.8m×16.9m×33.4m(長(zhǎng)×寬×高);母線(xiàn)洞為城門(mén)洞型結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖斷面11.2m×8.4m(寬×高)，長(zhǎng)36.4m，鋼筋混凝土襯砌，頂面標(biāo)高 2 043.44m;排水廊道共兩層，采用城門(mén)洞型結(jié)構(gòu)，斷面尺寸2.6m×2.5m，開(kāi)挖斷面2.7m×3.6m;出線(xiàn)豎井高110m，開(kāi)挖直徑10m。

2 地質(zhì)條件

電站廠(chǎng)房區(qū)出露的地層巖性主要為志留系粉砂泥質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖及第四系不同成因類(lèi)型的堆積物。志留系粉砂泥質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖為構(gòu)成廠(chǎng)房區(qū)內(nèi)各建筑物的基礎(chǔ)巖石，二者在廠(chǎng)區(qū)內(nèi)交替出現(xiàn)，軟硬相間。構(gòu)成廠(chǎng)房地下洞室群的圍巖均為砂質(zhì)板巖夾粉砂泥質(zhì)板巖，微風(fēng)化～新鮮，中硬巖，以砂質(zhì)板巖為主，局部有少量石英巖脈分布，巖體中斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，特別是緩傾角裂隙發(fā)育較多。地下洞室群位于地下水位以下，水量不大。巖體中無(wú)有害氣體分布，廠(chǎng)房拱頂以下有高應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部可能有輕微巖爆發(fā)生。廠(chǎng)房拱頂屬于Ⅳ類(lèi)圍巖，邊墻屬于Ⅲ類(lèi)圍巖，斷層破碎帶處有Ⅳ，Ⅴ類(lèi)圍巖。為了對(duì)洞室群開(kāi)挖后圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立出線(xiàn)豎井、母線(xiàn)洞及廠(chǎng)房的三維彈塑性有限元模型，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析以指導(dǎo)施工方法的選擇和施工順序的確定。

3 計(jì)算模型及假定

3.1 有限元模型及計(jì)算假定

計(jì)算采用MIDAS-GTS巖土專(zhuān)業(yè)有限元分析軟件。計(jì)算區(qū)域包括主副廠(chǎng)房，母線(xiàn)洞，出線(xiàn)豎井，不考慮其他洞室的影響。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立計(jì)算模型，模型豎直方向向上取至地表，向下取至廠(chǎng)房底層以下20m，模型高120m，寬120m，長(zhǎng)120m。計(jì)算中不考慮斷層及地下水的影響。模型邊界條件，左右邊界水平位移約束，頂部為自由面，底部豎向位移約束。

根據(jù)圍巖特征，計(jì)算時(shí)假定巖體遵循理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。摩爾—庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則的表示形式為[1-3]:

其中，τn為極限抗剪強(qiáng)度;σn為剪切面上的法向應(yīng)力，以拉應(yīng)力為正;c，φ分別為土的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

計(jì)算時(shí)巖體初始應(yīng)力場(chǎng)僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，自重應(yīng)力場(chǎng)由程序計(jì)算。忽略圍巖構(gòu)造應(yīng)力，圍巖采用實(shí)體單元模擬，錨桿用植入式桁架模擬，混凝土采用板單元模擬，錨索拱架用梁?jiǎn)卧M[4，5]，施工中支護(hù)及錨固措施及其參數(shù)見(jiàn)表 1，表 2。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

3.2 施工過(guò)程模擬

為了能較真實(shí)的反映施工過(guò)程中圍巖的變形及應(yīng)力變化情況，在數(shù)值模擬分析中按實(shí)際的施工開(kāi)挖步驟進(jìn)行模擬計(jì)算。按實(shí)際工程中采用的開(kāi)挖進(jìn)尺和開(kāi)挖順序，出線(xiàn)豎井共分 16層開(kāi)挖，母線(xiàn)洞分 10層開(kāi)挖，廠(chǎng)房共分 5層開(kāi)挖。按施工設(shè)計(jì)每一步開(kāi)挖后進(jìn)行錨桿、錨索、噴射混凝土等支護(hù)結(jié)構(gòu)施工，為簡(jiǎn)化計(jì)算，模擬過(guò)程中未考慮吊車(chē)梁及錨索的影響，根據(jù)開(kāi)挖步驟建立出線(xiàn)豎井、母線(xiàn)洞和廠(chǎng)房的三維計(jì)算模型。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 圍巖位移場(chǎng)分析

為了分析開(kāi)挖過(guò)程中洞周位移的變化情況，在洞周選擇若干特征點(diǎn)來(lái)分析開(kāi)挖過(guò)程位移的變化。從上游到下游取 A，B，C共3個(gè)斷面來(lái)描述位移的變化。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，由于開(kāi)挖斷面較小，洞周?chē)鷰r的位移隨開(kāi)挖過(guò)程變化也較小。最大位移發(fā)生在主廠(chǎng)房開(kāi)挖過(guò)程中，廠(chǎng)房第一層開(kāi)挖后洞室周邊將發(fā)生偏向洞內(nèi)的位移。由于此時(shí)開(kāi)挖臨空面較小，洞室邊墻尚未形成，洞周?chē)鷰r的主要變形發(fā)生在頂拱及底板處，位移方向指向洞內(nèi)，其中頂拱及底板中部的位移較大。隨開(kāi)挖過(guò)程的進(jìn)行特征點(diǎn)位移都呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。第一層開(kāi)挖完成后，洞周最大水平位移為 5.2mm，位于上游洞壁處。第二層開(kāi)挖完成后，洞周最大水平位移為7.8mm。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，高邊墻逐漸形成，主要變形由頂拱、底板向邊墻轉(zhuǎn)移，第二層開(kāi)挖完成后頂拱最大位移為7.3mm，此時(shí)頂拱與底板變形逐漸趨于穩(wěn)定。第三層開(kāi)挖完后，洞周最大水平位移快速增長(zhǎng)為10mm，位于下游邊墻中部，方向指向洞內(nèi)，頂拱最大下沉量達(dá)到 22mm，隨后變化十分平緩。第四層開(kāi)挖時(shí)，由于洞室臨空面較大，邊墻變形進(jìn)一步增大，開(kāi)挖結(jié)束時(shí)邊墻水平位移達(dá)到13mm，頂拱最大下沉量幾乎沒(méi)有變化，下游邊墻最大變形為 33mm。第五及六層開(kāi)挖完時(shí)，邊墻最大水平位移達(dá)到了16mm，頂拱豎向位移基本穩(wěn)定。邊墻水平位移隨開(kāi)挖過(guò)程變化見(jiàn)圖 1～圖 3?？梢?jiàn)，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，各個(gè)點(diǎn)的位移均在增大，但全部開(kāi)挖結(jié)束后，整體上圍巖的變形量比較小，洞室整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 圍巖應(yīng)力分析

在開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖應(yīng)力場(chǎng)不斷發(fā)生調(diào)整變化。第 1主應(yīng)力(徑向應(yīng)力)方向接近垂直于開(kāi)挖面方向，局部由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力;第 2主應(yīng)力(切向應(yīng)力)接近平行開(kāi)挖面方向。開(kāi)挖完成后，主廠(chǎng)房頂拱與底板均處于受壓狀態(tài)，頂拱的切向最大壓應(yīng)力為122.7MPa;上游邊墻與底板的切向最大壓應(yīng)力為62MPa;最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在廠(chǎng)房上游邊墻，最大拉應(yīng)力為48MPa。

4.3 圍巖塑性區(qū)分析

從開(kāi)挖過(guò)程可見(jiàn)，初始應(yīng)力狀態(tài)下，圍巖應(yīng)力較小，基本無(wú)塑性區(qū)，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，塑性區(qū)逐漸出現(xiàn)，擴(kuò)展范圍也增大，但主要分布于洞室結(jié)構(gòu)的突變位置。豎井開(kāi)挖時(shí)基本無(wú)塑性區(qū)，母線(xiàn)洞開(kāi)挖時(shí)塑性區(qū)很小。主廠(chǎng)房第一層開(kāi)挖達(dá)到主廠(chǎng)房拱座高程時(shí)，在拱頂處產(chǎn)生了大片塑性區(qū)，同時(shí)下游拱座處產(chǎn)生了少量塑性區(qū)。在開(kāi)挖到第三層時(shí)，在主廠(chǎng)房下游側(cè)墻處產(chǎn)生了大片塑性區(qū);在開(kāi)挖到第五層時(shí)，側(cè)墻上部 1/2位置產(chǎn)生了塑性區(qū)。在開(kāi)挖過(guò)程中，拱頂塑性區(qū)分布變化不大，由于豎井和母線(xiàn)洞的開(kāi)挖斷面較小，開(kāi)挖過(guò)程中只在母線(xiàn)洞與主廠(chǎng)房相交的區(qū)域塑性區(qū)持續(xù)擴(kuò)展，其他位置基本沒(méi)有塑性區(qū)出現(xiàn)。

4.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

從開(kāi)挖過(guò)程可見(jiàn)，出線(xiàn)豎井和母線(xiàn)洞噴射混凝土層內(nèi)力較小，主廠(chǎng)房噴射混凝土層的內(nèi)力較大，主廠(chǎng)房第三層開(kāi)挖完成時(shí)頂拱彎矩和剪力達(dá)到最大值。隨開(kāi)挖過(guò)程的進(jìn)行，頂拱彎矩和剪力逐漸趨于穩(wěn)定。最大彎矩出現(xiàn)在頂拱頂部和頂拱與邊墻交界處。邊墻噴射混凝土層在開(kāi)挖完成后內(nèi)力達(dá)到穩(wěn)定，最大彎矩出現(xiàn)在上游邊墻中部，邊墻主要受壓。錨桿主要受拉力，但錨桿拉應(yīng)力總體較小。

5 結(jié)語(yǔ)

分析計(jì)算表明，水電站地下廠(chǎng)房洞室群開(kāi)挖后洞周?chē)鷰r的位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)分布符合一般規(guī)律。從計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，擬定的開(kāi)挖順序是合理的，圍巖的變形符合一般規(guī)律。頂拱和側(cè)墻等部位的最大位移值均在允許的范圍內(nèi)。但在施工中，洞室交叉處應(yīng)力集中對(duì)洞室穩(wěn)定的影響是不可忽視的問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)觀(guān)測(cè)并及時(shí)采取支護(hù)措施。開(kāi)挖過(guò)程中，隨著高邊墻的形成，洞室交叉處的塑性區(qū)會(huì)突然變大，甚至出現(xiàn)局部的貫穿區(qū)。為使最終塑性區(qū)較小，應(yīng)盡量避免同一開(kāi)挖順序中各洞室間的互相影響，即應(yīng)將洞室的開(kāi)挖順序從時(shí)間和空間上盡量錯(cuò)開(kāi)。

[1] 蔡美峰，何滿(mǎn)潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程[M].北京:科學(xué)出版社，2002.

[2] 孫 鈞，汪炳鑑.地下結(jié)構(gòu)有限元解析[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1988.

[3] 雷曉燕.巖土工程數(shù)值計(jì)算[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1999.

[4] 陳仲先，湯 雷.高地應(yīng)力大型地下洞室的位移和錨桿應(yīng)力特性[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22(3):2-6.

[5] 朱維申，李曉靜，郭彥雙.地下大型洞室群穩(wěn)定性的系統(tǒng)性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，22(3):3-4.