大崗山地下廠房洞群施工開挖圍巖穩(wěn)定性分析

，，

(中國電建集團(tuán) 成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司科學(xué)研究所，成都 610072)

1 研究背景

當(dāng)前，我國的水利水電工程建設(shè)正處于一個(gè)空前發(fā)展階段，隨著西部大開發(fā)的深入開展，許多特大型和大型水電站工程相繼進(jìn)入施工期，如瀾滄江上的小灣水電站和糯扎渡水電站，雅礱江上的錦屏一、二級水電站，金沙江上的溪洛渡水電站和向家壩水電站，大渡河上的瀑布溝水電站和大崗山水電站等。隨著這些大型水電站工程的開工建設(shè)，水電站地下廠房洞室群的開挖穩(wěn)定已成為制約水電工程施工進(jìn)度、投資和安全的重要因素。在大型地下廠房洞室的開挖過程中需要分析圍巖的變形與受力狀態(tài)，并據(jù)此判斷圍巖的穩(wěn)定性，從而采取有效的加固處理措施[1-8]。大崗山水電站是大渡河干流近期開發(fā)的大型水電工程，為分析該水電站地下廠房洞室群施工開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性狀況，采用三維數(shù)值方法對該電站地下廠房洞室群開挖圍巖穩(wěn)定進(jìn)行了計(jì)算分析，獲得了洞室開挖過程中圍巖位移場、應(yīng)力場和塑性區(qū)的變化規(guī)律，計(jì)算成果有效指導(dǎo)了工程的設(shè)計(jì)與施工。

2 工程概況

大崗山水電站位于四川西部大渡河中游四川省石棉縣境內(nèi)，壩址距下游石棉縣城約40 km，距成昆鐵路漢源火車站約130 km，距上游瀘定縣城約72 km。壩址左岸有省道211線相通，交通較為便利。壩址處控制流域面積達(dá)6.27萬km2，占全流域面積的80%，多年平均流量約1 010 m3/s，電站正常蓄水位1 130 m，大壩壅水高度約180 m，最大壩高約210 m，總庫容約7.42億m3，電站裝機(jī)容量2 600 MW。圖1為大崗山電站地形地貌圖。

圖1 大崗山水電站地形地貌圖

地下廠房布置在左岸Ⅰ—Ⅲ線，由主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室3大地下洞室及母線洞、尾水連接洞等組成。3大洞室平行布置，軸線方向N55°E，垂直埋深390～520 m，水平埋深310～530 m。

3 廠區(qū)初始地應(yīng)力場的反演

根據(jù)地質(zhì)力學(xué)分析，廠區(qū)初始地應(yīng)力場的主要組成成分為自重應(yīng)力場和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場，地應(yīng)力場分析依據(jù)這一觀點(diǎn)建立數(shù)學(xué)計(jì)算模型，并采用多元回歸法進(jìn)行反演擬合分析。

(1)

假定有m個(gè)觀測點(diǎn)，則最小二乘法的殘差平方和為

(2)

根據(jù)最小二乘法原理，使得S殘為最小值的方程式為

(3)

解此方程式得n個(gè)待定回歸系數(shù)L=(L1,L2,…,Ln)T，則計(jì)算域內(nèi)任一點(diǎn)p的回歸初始應(yīng)力可由該點(diǎn)各工況有限元計(jì)算值迭加得到，即

(4)

式中j=1，2，…，6對應(yīng)6個(gè)初始應(yīng)力分量。

根據(jù)大崗山廠區(qū)實(shí)測地應(yīng)力資料，采用上述多元回歸分析法對地下廠房廠區(qū)初始地應(yīng)力場進(jìn)行了反演擬合，獲得廠區(qū)的初始地應(yīng)力分布函數(shù)為

(5)

式中h為測點(diǎn)的垂直埋深。

反演計(jì)算表明：廠區(qū)最大主應(yīng)力σ1的方向近似平行于地下廠房的軸線方向，最小主應(yīng)力σ3的方向近似垂直于地下廠房的軸線方向；淺部最大主應(yīng)力主要以自重應(yīng)力分布為主，深部最大主應(yīng)力主要以構(gòu)造應(yīng)力分布為主。廠區(qū)初始地應(yīng)力是由自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力聯(lián)合組成的中等偏高的地應(yīng)力場。

4 數(shù)值計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

4.1 三維計(jì)算網(wǎng)格

三維數(shù)值計(jì)算模型考慮了主廠房、主變室、尾調(diào)室等主要洞室，并對洞群范圍內(nèi)的β80，β81，β163，β164等較大巖脈進(jìn)行了模擬。計(jì)算時(shí)選擇廠橫方向(即水流方向)為x軸，鉛垂向?yàn)閥軸，廠縱方向?yàn)閦軸。廠橫(x軸)0+0.0 m、高程(y軸)0.0 m、廠縱(z軸)0+0.0 m為標(biāo)原點(diǎn)。計(jì)算范圍為-302.9 m≤x≤450 m；700 m≤y≤地表；-300 m≤z≤500 m。三維模型共剖分了37 970節(jié)點(diǎn)，201 189個(gè)單元，整體三維計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型

4.2 計(jì)算參數(shù)與開挖支護(hù)方案

考慮廠區(qū)地層變形為彈塑性變形，采用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。根據(jù)廠區(qū)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，地下廠房自上而下開挖時(shí)主廠房為10個(gè)開挖步，主變室為3個(gè)開挖步，尾調(diào)室為9個(gè)開挖步，圖3為地下廠房洞群開挖示意圖。

圖3 地下廠房開挖示意圖

5 開挖計(jì)算結(jié)果分析

5.1 位移場變化規(guī)律

由于應(yīng)力釋放，開挖后洞周位移朝向開挖臨空面，其中拱頂下沉，底板上抬，較大的變形主要集中在主廠房、主變室和尾調(diào)室的拱頂部位和軟弱巖脈出露部位。圖4為典型2#機(jī)組剖面開挖位移矢量圖。

圖4 2#機(jī)組剖面位移矢量圖

開挖后各機(jī)組段洞周計(jì)算位移變化規(guī)律見表2。

表2 開挖后各機(jī)組段洞周計(jì)算最大位移

由表2可見，開挖后洞周計(jì)算位移值不大，最大位移僅為2.2 cm，其余位移皆小于2 cm，表明開挖后洞室整體是穩(wěn)定的。與洞周位移監(jiān)測結(jié)果對比表明：洞周計(jì)算位移與監(jiān)測位移基本相符，二者誤差小于10%，在工程允許誤差范圍內(nèi)，說明本文計(jì)算結(jié)果是合理可靠的。

5.2 應(yīng)力場變化規(guī)律

圖5為典型2#機(jī)組剖面開挖后的最大、最小主應(yīng)力云圖。

由圖5分析可知：開挖后洞周應(yīng)力得到釋放，雖然主廠房和尾調(diào)室上、下游邊墻部位出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中，但都小于巖體的抗壓強(qiáng)度。

圖5 開挖后2#機(jī)組剖面最大、最小主應(yīng)力云圖

5.3 塑性區(qū)變化規(guī)律

開挖后洞周塑性區(qū)主要為壓剪屈服，各機(jī)組段的塑性區(qū)變化規(guī)律見表3。

總體來看，開挖后地下廠房洞周塑性區(qū)的分布厚度大部分小于錨桿的設(shè)計(jì)長度，并全都小于錨索的設(shè)計(jì)長度，表明大崗山地下廠房洞室圍巖的整體穩(wěn)定性是有可靠保證的。

表3 開挖后各機(jī)組段的塑性區(qū)分布

6 結(jié) 語

(1) 本文采用多元回歸分析法對大崗山地下廠房初始地應(yīng)力場進(jìn)行了反演，獲得了廠區(qū)初始地應(yīng)力函數(shù)，并揭示出廠區(qū)初始地應(yīng)力的分布規(guī)律。

(2) 應(yīng)用反演的廠區(qū)初始地應(yīng)力場函數(shù)，對洞室開挖圍巖穩(wěn)定進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算分析，獲得了洞周位移場、應(yīng)力場和塑性區(qū)的變化規(guī)律。

(3) 計(jì)算結(jié)果表明大崗山地下廠房洞室群開挖后圍巖整體是穩(wěn)定的，但洞周分布的軟弱巖脈是影響圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，因此，在地下廠房施工過程中，必須對軟弱巖脈和開挖暴露的破碎帶進(jìn)行超前注漿加固處理。

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