彭水電站地下廠房開(kāi)挖支護(hù)全過(guò)程的數(shù)值模擬

陳 浩，謝運(yùn)黎，李勉偉，李 敏，郭先友

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.廣州市水電建設(shè)工程有限公司，廣東廣州 510600；3.孝感市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北孝感 432100；4.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)港行建設(shè)有限公司，天津 300457）

1 引言

地下空間的開(kāi)發(fā)和利用既是當(dāng)代施工技術(shù)水平和科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展的一種體現(xiàn)，又是當(dāng)今人類物質(zhì)文明進(jìn)步發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前我國(guó)的地下工程建設(shè)方興未艾，如城市地鐵、過(guò)江隧道、水電站地下廠房、水工隧洞、煤炭礦山井巷工程、重大軍用國(guó)際工程等。僅以水電工程而言，西南、西北地區(qū)一系列大型乃至巨型水電站如金沙江溪洛渡、向家壩、白鶴灘、雅礱江錦屏、瀾滄江小灣以及黃河拉西瓦水電站等相繼建設(shè)。在開(kāi)發(fā)西部高山峽谷地區(qū)豐富的水能資源時(shí)，須布置規(guī)模龐大的發(fā)電機(jī)群。受地形、空間因素的制約，地下廠房往往是最經(jīng)濟(jì)，最有效的選擇方式，有時(shí)也是唯一的選擇[1-3]。

迄今為止的地下工程實(shí)踐已經(jīng)揭示了工程圍巖破壞可以概括地分為兩大類，一類是應(yīng)力控制型破壞；另一類是塊體控制型破壞，也稱結(jié)構(gòu)面控制型破壞或重力型破壞。兩者各有其發(fā)生條件[4]。在地下工程開(kāi)挖施工過(guò)程中，圍巖應(yīng)力條件和圍巖巖體臨空條件是不斷變化，給定位置上圍巖的破壞方式也因此可以發(fā)生變化，從而給具體的判斷增加了難度。即便如此，已有的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)還是可以幫助我們根據(jù)圍巖巖體條件和地下工程設(shè)計(jì)參數(shù)事先在宏觀上估計(jì)和評(píng)價(jià)圍巖潛在的問(wèn)題[5]。

筆者以彭水電站的地下廠房開(kāi)挖為背景，運(yùn)用有限差分的數(shù)值分析方法（FLAC），結(jié)合彭水電站的地質(zhì)資料和地應(yīng)力分布規(guī)律，模擬地下廠房開(kāi)挖，分析廠房開(kāi)挖后圍巖位移與變形規(guī)律，并與實(shí)測(cè)資料對(duì)比，研究圍巖塑性區(qū)的空間分布特征，定量地分析開(kāi)挖支護(hù)前后塑性區(qū)方量的變化，評(píng)價(jià)支護(hù)的有效性。

2 工程概況與開(kāi)挖模型

2.1 工程地質(zhì)條件與模型概化

彭水水利水電樞紐水電站是一裝機(jī)容量1 750 MW的大型綜合性水電工程，樞紐主要建筑物由弧形混凝土重力壩、右岸地下廠房和左岸通航建筑物組成。其中，右岸地下廠房洞室群主要由主廠房洞（包括安裝間）、5條母線洞、5條引水隧洞、5條尾水支洞及調(diào)壓井組成。主廠房軸線方位203°，主廠房洞室尺寸252 m（長(zhǎng)）×30 m（寬）×78.5 m（高），洞頂高程248 m，洞底高程169.5 m。地下廠房洞室群的平面布置及其中的5#機(jī)組洞室剖面形態(tài)，如圖1所示。

彭水電站整體布局以及地下廠房所有機(jī)組段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都相似，建立一個(gè)機(jī)組段的模型即有足夠的代表性?；谝陨峡紤]，以3#機(jī)組洞室群作為研究對(duì)象，模擬了主廠房的3#機(jī)組洞段、廠房附近的3#引水洞、3#母線洞和3#尾水洞。建立模型的精度原則上建筑物邊界精確到0.1，對(duì)廠房底部的結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，尾水洞與主廠房連接部位的形態(tài)也和設(shè)計(jì)存在較小差別。由于引水洞、母線洞以及尾水?dāng)U散段的不規(guī)則，造成主廠房的一些輪廓線條大小不一，劃分映射網(wǎng)格有一定困難，綜合各種因素確定在模型各條線合理分段的情況下對(duì)整體模型進(jìn)行自由劃分。

圖1 廠房平面布置及剖面（單位/m）

計(jì)算采用工程中常用的摩爾-庫(kù)倫模型，根據(jù)相關(guān)的工程資料，計(jì)算模型中的相關(guān)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算的物理參數(shù)

模型四周法向約束，底部三向約束，材料模型采用彈塑性摩爾－庫(kù)倫模型。根據(jù)實(shí)際施工開(kāi)挖方案，在計(jì)算分析中分為10步，其中主廠房分10步開(kāi)挖完成、母線洞和引水洞分2步開(kāi)挖完成、尾水洞分3步開(kāi)挖完成，具體開(kāi)挖順序見(jiàn)表2。

表2 模擬開(kāi)挖方案

2.2 廠房支護(hù)的模擬方法

本模型中對(duì)錨桿和錨索的模擬具有以下基本特點(diǎn)：

（1）模型中的每一根錨桿/錨索都和實(shí)際中的單根錨桿/錨索一一對(duì)應(yīng)，沒(méi)有等效概念。

（2）模型中錨桿/錨索的安裝順序與設(shè)計(jì)原則一致，即進(jìn)行下一個(gè)梯段開(kāi)挖前對(duì)已開(kāi)挖部分進(jìn)行加固，體現(xiàn)了施工過(guò)程的仿真模擬。

（3）模型中錨索和錨桿（包括巖錨梁錨桿）的安裝時(shí)機(jī)，原則上是其所在部位被“開(kāi)挖”揭露出來(lái)以后、下一步開(kāi)挖之前。

模型中的錨固系統(tǒng)，如圖2所示。在本模型中共安裝了3 250根錨桿，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，錨桿支護(hù)方案如下：

（1）頂拱：90 kN中空注漿張拉錨桿，Φ32@1.5 m× 1.5 m，L=8、10 m相間布置。

（2）邊墻：1 500 kN預(yù)應(yīng)力錨索@4.5 m×4.5 m，L=20或25 m，錨索與水平面成10°上仰夾角布置；砂漿錨桿，Φ32@1.5 m×1.5 m，L＝6、9 m相間布置。

3 地下廠房開(kāi)挖全過(guò)程數(shù)值模擬

3.1 開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的變形與應(yīng)力分布規(guī)律

以下計(jì)算結(jié)果表示中，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，單位為MPa；其中，ux、uy和uz分別表示節(jié)點(diǎn)沿x軸、y軸和z軸的位移，位移的正負(fù)號(hào)與坐標(biāo)軸正負(fù)方向一致，u表示節(jié)點(diǎn)的合位移（取絕對(duì)值），單位為mm。圖3為開(kāi)挖完成后廠房機(jī)組中心線的位移矢量圖，從圖中位移矢量的方向可以看出開(kāi)挖后巖體均向洞內(nèi)變形，這符合地下洞室開(kāi)挖圍巖變形的一般規(guī)律。

圖2 模型中由錨索、普通錨桿組成的錨固系統(tǒng)

主廠房分10步開(kāi)挖。開(kāi)挖后，周邊圍巖均沿主廠房洞徑向朝內(nèi)位移，圍巖頂拱也有一定下沉，邊墻以及底板也都有所變形。隨著開(kāi)挖的一步步進(jìn)行，洞室周邊變形逐漸增大。開(kāi)挖完成后主廠房頂拱的變形量為5～7.5 mm，最大垂直位移（向下）為9.67 mm。整體來(lái)說(shuō)，下游邊墻變形量要大于上游邊墻，其最大位移值為21.99 mm，大致分布在頁(yè)巖與灰?guī)r的分界面處，與監(jiān)測(cè)資料一致。上游處邊墻位移為7.5～10mm，底板存在回彈變形，一般為5～7 mm，與實(shí)測(cè)資料的6.46 mm較為接近。

圖3 廠房機(jī)組中心線剖面的位移矢量

母線洞開(kāi)挖完成后，洞周圍巖的變形一般為7.5～10 mm。

引水洞開(kāi)挖完成后，洞周圍巖除了向洞內(nèi)徑向變形外，同時(shí)還隨主廠房上游邊墻一起朝主廠房縱軸方向變形。洞周圍巖的變形一般為8～10 mm。

尾水洞開(kāi)挖完成后，洞周圍巖除向洞內(nèi)徑向變形外，沿上游水流方向也有一定位移。圍巖的變形一般為8～10 mm。每步開(kāi)挖進(jìn)行后的位移等值線云圖，如圖4所示。

在計(jì)算過(guò)程中設(shè)置17個(gè)典型位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以記錄開(kāi)挖過(guò)程中該位置的位移變化過(guò)程，同時(shí)也方便與實(shí)測(cè)資料中典型位置的測(cè)點(diǎn)位移相比較。圖5為下游邊墻某一位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化曲線。

圖5 下游邊墻監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化曲線

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，廠房開(kāi)挖至201.0 m高程時(shí)，幾個(gè)典型位置的多點(diǎn)位移計(jì)變形實(shí)測(cè)值與計(jì)算的變形量見(jiàn)表3。由于位移檢測(cè)的滯后性以及多點(diǎn)位移計(jì)檢測(cè)的相對(duì)性，計(jì)算結(jié)果稍大于實(shí)測(cè)值，這符合一般規(guī)律，且兩者具有較強(qiáng)的可比性，總體上說(shuō)明了筆者的模型及參數(shù)選擇合適，計(jì)算結(jié)果可信。

表3 計(jì)算位移與檢測(cè)位移對(duì)比 mm

（1）主廠房全斷面開(kāi)挖后，主廠房頂拱仍處于受壓狀態(tài)，最大的壓應(yīng)力為9.0～11.0 MPa。在開(kāi)挖過(guò)程中，主廠房邊墻切向應(yīng)力隨開(kāi)挖步增大，徑向應(yīng)力逐漸減小。主廠房的上下游邊墻中部都出現(xiàn)了一定深度的應(yīng)力松弛區(qū)，最大主應(yīng)力在4 MPa之內(nèi)，邊墻低應(yīng)力區(qū)基本上也就是圍巖松動(dòng)區(qū)。另外，主廠房底部圍巖應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律良好，最大主應(yīng)力為8～10 MPa。

（2）母線洞的頂部和底部都出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力松弛，該部位圍巖基本處于較低應(yīng)力狀態(tài)，靠近主廠房方向壓應(yīng)力逐漸減小，在與主廠房交接處甚至出現(xiàn)了少數(shù)拉應(yīng)力區(qū)。在母線洞遠(yuǎn)離廠房一端出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力約為16 MPa。

（3）引水洞的應(yīng)力狀態(tài)與母線洞類似，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力松弛，該部位圍巖基本處于較低應(yīng)力狀態(tài)，靠近主廠房方向壓應(yīng)力逐漸減小，直至出現(xiàn)少數(shù)拉應(yīng)力區(qū)。在引水洞遠(yuǎn)離廠房一端出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力約為18 MPa。

（4）在尾水洞的頂部和底部圍巖內(nèi)出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力約為20 MPa；兩側(cè)邊墻的圍巖應(yīng)力出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，基本處于低應(yīng)力狀態(tài)，約為1 MPa。

3.2 開(kāi)挖過(guò)程中圍巖塑性區(qū)的空間分布特征

地下洞室群開(kāi)挖完成采用錨桿支護(hù)后，在主廠房周圍產(chǎn)生了零星的塑性區(qū)，其中在主廠房下有邊墻出現(xiàn)的較多。圖6為開(kāi)挖完成后的塑性區(qū)分布圖。

圖6 開(kāi)挖完成后機(jī)組中心線剖面的塑性區(qū)

圖4 主廠房開(kāi)挖全過(guò)程位移矢量云圖

總體來(lái)看，主廠房圍巖塑性區(qū)屈服以剪切破壞為主，其次為張拉破壞。每一步開(kāi)挖后的塑性區(qū)方量均有所增加，僅統(tǒng)計(jì)第一次開(kāi)挖圍巖出現(xiàn)的剪切塑性區(qū)的方量為1122.3m3，張拉塑性區(qū)的方量為6304.8 m3，第十次開(kāi)挖圍巖出現(xiàn)的剪切塑性區(qū)的方量為38 310 m3，張拉塑性區(qū)的方量為24 480 m3。巖體天支護(hù)條件下，塑性區(qū)的分布較廣，對(duì)廠房圍巖的穩(wěn)定性有較大影響，因此需要考慮對(duì)圍巖的積極支護(hù)。

3.3 圍巖支護(hù)效果分析

加入錨桿支護(hù)以后，主廠房頂拱變形有所下降。主廠房頂拱的最大沉降由原來(lái)的6.08 mm降為5.57 mm。在有支護(hù)方案的情況下，整個(gè)廠房的最大位移處也就是下游邊墻頁(yè)巖與灰?guī)r交界處的位移由5.23 cm降到了2.19 cm。另外，加入錨桿后，圍巖的塑性區(qū)的改變狀況是大部分塑性區(qū)消除。以第三次開(kāi)挖為例，第三次開(kāi)挖圍巖出現(xiàn)的剪切塑性區(qū)的方量為4 619.2 m3，張拉塑性區(qū)的方量為3 876.4 m3；采用錨桿支護(hù)后，剪切塑性區(qū)的方量為50.892 m3，張拉塑性區(qū)的方量為16.874 m3，塑性區(qū)相比之前基本消除。

為了更直觀地反映兩者的區(qū)別，圖7-8分別是某開(kāi)挖步完成后有支護(hù)和無(wú)支護(hù)情況下圍巖塑性區(qū)分布示意圖。圖9是在加入錨桿支護(hù)和不加錨桿支護(hù)的情況下的沉降量變形曲線圖。

圖7 有支護(hù)塑性區(qū)示意

總體而言，表征有支護(hù)的實(shí)線曲線始終在表征無(wú)支護(hù)的虛線曲線下方，從圖7-9可以看出，隨著開(kāi)挖步的增加，巖體在有支護(hù)條件下的變形與無(wú)支護(hù)的差異逐漸增大，支護(hù)對(duì)地下廠房的穩(wěn)定性效果明顯。

計(jì)算結(jié)果同時(shí)表明巖體的支護(hù)效果不僅體現(xiàn)在當(dāng)前開(kāi)挖步，地下廠房的整體穩(wěn)定性應(yīng)是每一步開(kāi)挖后有效支護(hù)的結(jié)果。

圖8 無(wú)支護(hù)塑性區(qū)示意

圖9 有無(wú)支護(hù)下圍巖變形對(duì)比曲線

4 結(jié)論

根據(jù)以上數(shù)值模擬結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）洞室開(kāi)挖后，主廠房洞周圍巖均朝洞內(nèi)徑向變形，廠房洞頂、上下游邊墻以及底板圍巖均沿著廠房中心線方向有不同程度的變形；母線洞、引水洞、尾水洞一方面朝洞內(nèi)徑向變形，還隨主廠房下游邊墻朝廠房縱軸方向變形；而尾水洞周圍圍巖向洞內(nèi)及上游水流方向一起變形。

（2）總體來(lái)看，主廠房圍巖以剪切破壞為主，其次為拉剪破壞，塑性區(qū)沿洞周都有間斷分布；而塑性區(qū)大面積分布在主廠房和尾水洞相交的部位，該部位需要重點(diǎn)考慮支護(hù)。

（3）在考慮錨桿支護(hù)后，洞周圍巖的應(yīng)力以及剪切破壞的塑性區(qū)有較大變化，周圍巖體的變形也有減小，這說(shuō)明錨桿支護(hù)對(duì)洞室開(kāi)挖效果較好；從塑性區(qū)分布圖可以看出在主廠房與尾水洞相交處還存在小范圍塑性區(qū)，還需進(jìn)一步采取加固措施。

[1]李寧，張志強(qiáng)，張平.地下洞室設(shè)計(jì)新理念與仿真分析法[A].第八次全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C].北京：科學(xué)出版社，2004：45-51.

[2]莫斯特科夫BM著，王德林，卓明葆譯.大斷面地下建筑物[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1980.

[3]郭懷志，馬啟超.巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的分析方法[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1983，5（3）：64-75.

[4]蔣建平，章楊松，羅國(guó)煜.基于土體中結(jié)構(gòu)面的巖土工程問(wèn)題探討[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2002，10（2）：160-165.

[5]陶振宇.試論巖石力學(xué)的最新進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展，1992，22（2）：161-172.