水電站地下廠房洞室群施工期圍巖變形特征與穩(wěn)定性

王輝，陳衛(wèi)忠，鄭朋強，文志杰，李楠，王清標

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水電站地下廠房洞室群施工期圍巖變形特征與穩(wěn)定性

王輝1, 2，陳衛(wèi)忠2, 3，鄭朋強1，文志杰1，李楠1，王清標1

(1. 山東科技大學資源與土木工程系，山東泰安，271019；2. 山東大學巖土與結構工程研究中心，山東濟南，2500613. 中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北武漢，430071)

根據(jù)施工過程巖層揭露情況，結合圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析圍巖變形狀況。根據(jù)施工期巖層探測結果，建立地下廠房洞室群大型有限元模型，利用變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，對地下廠房洞室群的圍巖力學參數(shù)進行反演分析；結合數(shù)值仿真結果，分析圍巖變形規(guī)律。研究結果表明：主廠房第一層開挖穿越Ⅲ1，Ⅲ2和IV類圍巖，圍巖變形受巖層性質影響較明顯，在IV類圍巖穿越的副廠房位置，圍巖變形較大；廠橫0+153.81斷面的變形明顯比其他斷面的大，在后續(xù)開挖過程中應加強對IV類圍巖變形的監(jiān)控量測。

地下廠房洞室群；變形特征；穩(wěn)定性

水電資源作為清潔、可再生能源，對于改善我國能源結構、促進可持續(xù)發(fā)展具有重要的社會和經(jīng)濟效益，必將成為我國今后開發(fā)的重點[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國蘊藏的水電容量居世界首位，開發(fā)潛力巨大，其中大多集中在西南地區(qū)的高山深谷中[2]。由于地形地質條件等因素的限制，在這些區(qū)域建設水電站往往采用地下廠房的形式。由于高山深谷區(qū)域地應力等地質條件復雜，巖體經(jīng)開挖后在應力重分布過程中容易產(chǎn)生圍巖變形，對工程的安全穩(wěn)定產(chǎn)生重要影響[3?4]。為分析洞室開挖對圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，國內外研究者采用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等方法開展了深入細致的研究。李志鵬等[5]采用現(xiàn)場監(jiān)測等方法，對施工期水電站地下廠房圍巖的變形破壞特征進行描述和分析；彭琦等[6]以洞室開挖過程變形監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，結合地質和施工資料，對地下廠房的圍巖變形特征及其機制進行分析，重點研究結構面和臨近洞室開挖對圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律；魏進兵等[7]結合地質、監(jiān)測、物探及施工資料，對錦屏一級水電站地下廠房施工期圍巖的變形與破壞特征進行分析，研究洞室群(主廠房、主變室、母線洞等)開挖過程的相互影響規(guī)律；田澤潤等[8]根據(jù)白山抽水蓄能泵站地下廠房開挖過程中的變形觀測數(shù)據(jù)，對地下廠房圍巖的開挖變形進行了數(shù)值模擬；姚強等[9]結合彈塑性有限元方法和圍巖變形監(jiān)測資料，分析了瀑布溝水電站地下廠房洞室群圍巖的變形特征及穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)圍巖變形受施工程序和地質條件的影響較大；高春玉等[10]對官地水電站地下廠房洞室群施工期圍巖位移特征進行了分析，研究結構面對位移的影響規(guī)律；聶衛(wèi)平等[11]建立向家壩水電站三維有限元模型進行數(shù)值計算，以洞室變形和點抗滑安全系數(shù)為指標，針對地下廠房圍巖的特殊性進行穩(wěn)定性研究。由于水電站地下廠房工程量大、開挖周期長，因此，開展施工過程中圍巖變形分析及控制對于確保工程的順利施工意義重大。本文作者在以上研究成果的基礎上，結合猴子巖水電站地下廠房工程建設，根據(jù)施工過程巖層揭露情況，結合圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析圍巖變形規(guī)律；根據(jù)施工期巖層探測結果，建立能反映巖層分布的地下廠房洞室群大型有限元模型，利用變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，反演圍巖力學參數(shù)，為下一步施工提供理論參考。

1 工程概況

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，是大渡河干流水電規(guī)劃調整推薦22級開發(fā)方案的第9個梯級電站。壩址控制流域面積54 036 km2，平均流量774 m3/s。猴子巖水電站壩址區(qū)位于色龍溝口至折駱溝口河段，河道略呈“S”型流向，壩址河谷狹窄，河谷形態(tài)呈較對稱的“V”型谷，引水發(fā)電系統(tǒng)位于右岸。根據(jù)初步地質勘探結果，得到猴子巖水電站地層及圍巖分布如圖1所示。

圖1 猴子巖水電站圍巖分布狀況

壩址地層巖性較復雜，巖石種類較多，主要有厚—巨厚層變質灰?guī)r、薄—中厚層白云巖、白云質灰?guī)r、變質灰?guī)r等。根據(jù)巖石物理力學性試驗成果，地層分類及巖體類型依次如下。

D1-12 1：灰色中厚—薄層狀白云質灰?guī)r、變質灰?guī)r，屬于Ⅲ1—Ⅲ2類圍巖；

D1-11 1：灰色巨厚層狀白云質灰?guī)r、變質灰?guī)r(局部中薄層)，屬于Ⅲ1—Ⅲ2類圍巖；

D1-10 1：灰色薄—中厚層狀白云質灰?guī)r、變質灰?guī)r，屬于Ⅲ2—Ⅳ類圍巖；

D1-9 1：灰色厚—巨厚層狀白云質灰?guī)r、變質灰?guī)r(局部中薄層)，屬于Ⅲ1—Ⅲ2類圍巖；

D1-8 1：灰黑色中厚—薄層狀白云質灰?guī)r、變質灰?guī)r，屬于Ⅲ1—Ⅲ2類圍巖；

D1-7 1：灰色厚—巨厚層狀白云質灰?guī)r、變質灰?guī)r(局部薄層)，屬于Ⅲ1—Ⅲ2類圍巖；

D1-6 1：灰黑色薄—中厚層狀白云質灰?guī)r、變質灰?guī)r，屬于Ⅲ1—Ⅲ2類圍巖。

地下廠房系統(tǒng)包括主機間、副廠房、安裝間、主變室、尾調室等，布置在右岸280~510 m山體內。主機間長×寬×高為142.6 m×29.7 m×74.425 m，安裝間長為55.9 m、副廠房長為25.90 m，廠房總長度為224.4 m，廠房頂拱高程為1 732.225 m，尾水管底板高程為1 665.80 m。主變室和尾水調壓室與廠房平行布置，廠房軸線為N61°W，主廠房與主變室的中心距為71.5 m，主變室與尾水調壓室的中心距為65.9 m。主變室全長為141.10 m，跨度為18.80 m，高為25.2 m，頂拱高程為1 729.6 m。尾水調壓室長為60.00 m，跨度為23.5 m，高為73.975 m，頂拱高程為1 742.375 m。地下廠房空間分布如圖2所示。地下洞室群的開挖方案如圖3所示，其開挖順序見表1。

圖2 地下廠房空間分布

圖3 地下廠房開挖分塊示意圖

表1 地下廠房開挖順序

2 地下廠房洞室群圍巖變形特征分析

2.1 圍巖分布特征分析

根據(jù)猴子巖水電站地質勘查報告及施工過程巖層揭露情況的實時探測結果，確定主廠房的圍巖等級如圖4所示。從圖4可以看出：安裝間主要以圍巖強度較高的Ⅲ1類圍巖為主；主機間1號~4號機組所經(jīng)圍巖以Ⅲ1類圍巖為主，并夾雜有2處Ⅲ2類破碎圍巖帶；副廠房圍壓主要以IV圍巖為主。根據(jù)巖層產(chǎn)狀探測結果及地下廠房開挖揭露巖層分布情況，建立細觀分析有限元模型如圖5所示。

數(shù)據(jù)單位：m

為了反映地下廠房洞室群開挖過程的三維效應，有限元模型的范圍為方向從(廠縱)0?350.00 m至(廠縱)0+450.00 m，方向從(廠橫)0?340.00 m至(廠橫)0+460.00 m。地下廠房穿越軟弱地層帶如圖6所示。

圖5 猴子巖水電站三維有限元模型

圖6 地下廠房穿越軟弱地層帶模型

2.2 圍巖變形特點研究

為了監(jiān)測主廠房拱頂圍巖變形隨工程施工過程的變化規(guī)律，在主廠房頂部布設四點式位移計，監(jiān)測斷面包括廠橫0+51.30、廠橫0+83.80、廠橫0+116.30和廠橫0+153.81的斷面位置，拱頂多點位移計的布設位置如圖7所示。

數(shù)據(jù)單位：m

截止到2012?06?18，地下廠房已完成第1步和第2步的開挖，開挖順序如表1所示。不同監(jiān)測斷面拱頂下沉量隨時間的變化規(guī)律如圖8所示。從圖8可以看出：主廠房1號~4號機組所經(jīng)圍巖以Ⅲ1類和Ⅲ2類圍巖為主，圍巖性質較好，廠橫0+51.30、廠橫0+83.80和廠橫0+116.30這3個斷面拱頂累計沉降量分別為15.60，15.30和10.34 mm，而副廠房圍壓主要以IV圍巖為主，圍巖穩(wěn)定性相對較差，因此，拱頂下沉監(jiān)測值較大，其中廠橫0+153.81的拱頂變形累積值達達到了18.46 mm。從監(jiān)測值的變化規(guī)律來看：多點位移計在安裝之初變化量較小，后期位移量的增加主要是由于側墻擴挖導致圍巖應力重分布所致。

(a) 廠橫0+051.3拱頂多點位移計絕對位移時程曲線；(b) 廠橫0+083.80拱頂多點位移計絕對位移時程曲線；(c) 廠橫0+116.30拱頂多點位移計絕對位移時程曲線；(d) 廠橫0+153.81拱頂多點位移計絕對位移時程曲線

3 圍巖力學參數(shù)反演研究

3.1 圍巖力學參數(shù)反演分析方法

地下廠房洞室群開挖后圍巖受到擾動，不同位置由于巖性存在差異表現(xiàn)出變形不一致，因此，掌握洞室隨著開挖過程圍巖的分布及性質，對于分析其穩(wěn)定性和提出合理的支護對策具有重要意義。根據(jù)現(xiàn)場變形監(jiān)測數(shù)據(jù)反演分析是確定巖體力學參數(shù)的一種重要手段，待求參數(shù)一般包括巖體的彈塑性力學參數(shù)、流變參數(shù)或損傷參數(shù)等，可以表示為

式中：1，2，…，x為待求巖體力學參數(shù)；為待求參數(shù)的總個數(shù)。

通過現(xiàn)場監(jiān)測手段，得到不同測點的相對位移或絕對位移：

在數(shù)值模擬過程中，圍巖變形是巖體力學參數(shù)的函數(shù)，當圍巖被賦予不同的力學參數(shù)值時，通過數(shù)值計算可得到測點處的變形計算值，即

式中：1，2，…，u分別為各測點處的位移計算值。

圍巖力學參數(shù)反演的目的是在允許的取值范圍內尋找一組合理的巖體力學參數(shù)組合，使得各測點位移的數(shù)值模擬計算結果與現(xiàn)場監(jiān)測結果之間差值的絕對值和最小，即可認為該參數(shù)與現(xiàn)場巖體參數(shù)相吻合?？杀硎緸?/p>

待求參數(shù)的取值范圍可用以下約束關系表示：

xmin≤x≤xmax；=1，2，…，(5)

式中：xmin和xmax分別為待求參數(shù)的取值的上限和下限，可通過室內外試驗或現(xiàn)場監(jiān)測報告確定。

為實現(xiàn)以上目標，本文利用MATLAB語言編制基于遺傳算法的反演分析程序，結合ABAQUS有限元算法[12?15]，實現(xiàn)對地下廠房洞室圍巖力學參數(shù)的反演研究。

3.2 猴子圍巖力學參數(shù)反演分析方案

從多點位移計的監(jiān)測結果(如圖8所示)可以看出：多點位移計安裝之初，圍巖的變形量較小，當廠房側墻開始擴挖時，圍巖的變形明顯增大，這主要是擴挖導致廠房周邊圍巖應力調整所致。本次分析過程中以廠房擴挖過程中產(chǎn)生的變形進行反分析，以監(jiān)測結果與數(shù)值計算結果的相對誤差建立目標函數(shù)：

根據(jù)目前揭露的巖層分布狀況，分析影響圍巖變形的主要圍巖性質，本次反演過程的圍巖分為3種，分別為Ⅲ1，Ⅲ2和Ⅳ類圍巖(其分布如圖4所示)，因此，建立的目標函數(shù)實際上為圍巖彈塑性參數(shù)的函數(shù)：

其中：1，2和3分別為Ⅲ1，Ⅲ2和Ⅳ類圍巖的彈性模量；1，2和3為黏聚力；1，2和3為摩擦角。

計算過程中模型的周邊采用法向位移約束，模型中計算單元的自重應力場和構造應力場采用前期研究得到的初始地應力場反分析結果進行施加。根據(jù)現(xiàn)場的施工過程，反演分析計算過程共分為3個分析步：1) 進行初始應力場平衡；2) 主廠房中部拱頂開挖；3) 主廠房兩側邊擴挖。開挖示意圖如圖9所示。

圖9 主廠房開挖過程模擬

3.3 反演結果分析

通過反演分析得到的數(shù)值計算結果與多點位移計監(jiān)測結果的對比如表2所示。從表2可以看出：反演分析計算結果與監(jiān)測結果總體上較接近，相對誤差均低于8%，說明反演計算結果較理想。

表2 圍巖變形反分析結果與監(jiān)測值對比

本次反演分析不同圍巖類型的力學參數(shù)初始值及取值范圍如表3所示，其中，參數(shù)取值范圍的選取參照GB50218—94“工程巖體分級標準”[16]。反演過程中，通過近300次迭代計算得到了不同等級圍巖的力學參數(shù)見表3。由表3可以看出：Ⅲ1類圍壓的力學參數(shù)相對較高，因此，雖然安裝間埋深較大，但在開挖過程中其變形較小，而副廠房通過的IV類圍巖的力學參數(shù)相對較低，這也是開挖過程中副廠房變形相對較大的主要原因。

主廠房開挖過程中，廠橫0+51.30、廠橫0+83.80、廠橫0+116.30和廠橫0+153.81這4個斷面位移場分布如圖10~13所示。由圖10~13可以看出：廠橫0+153.81的變形明顯比其他斷面的大，在后續(xù)開挖過程中應加強對IV類圍巖變形的監(jiān)控量測，以防止對地下廠房洞室群的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

表3 不同類型圍巖力學參數(shù)值

(a) 拱頂開挖后；(b) 邊墻擴挖后

(a) 拱頂開挖后；(b) 邊墻擴挖后

(a) 拱頂開挖后；(b) 邊墻擴挖后

(a) 拱頂開挖后；(b) 邊墻擴挖后

4 結論

1) 主廠房第一層開挖穿越Ⅲ1，Ⅲ2和IV類圍巖，圍巖變形受巖層性質影響較明顯，由于Ⅲ1類圍壓的力學參數(shù)相對較高，因此，雖然安裝間埋深較大，但在開挖過程中其變形較小，而副廠房通過的IV類圍巖的力學參數(shù)則相對較低，這也是開挖過程中副廠房變形相對較大的主要原因。

2) 根據(jù)施工期巖層探測結果，建立地下廠房洞室群大型有限元模型，利用變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，對地下廠房洞室群的圍巖力學參數(shù)進行反演分析，反演分析計算結果與監(jiān)測結果總體上較接近，相對誤差均低于8%，說明反演計算結果較理想。

3) 結合數(shù)值仿真結果，分析圍巖變形規(guī)律，提出在后續(xù)開挖過程中應加強對IV類圍巖變形的監(jiān)控量測，以防止對地下廠房洞室群的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

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[16] GB 50218—94, 工程巖體分級標準[S]. GB 50218—94, Grading standard of engineering rock mass[S].

(編輯 楊幼平)

Deformation characteristics and stability of surrounding rock of underground powerhouse group of hydropower station during construction

WANG Hui1, 2, CHEN Weizhong2, 3, ZHENG Pengqiang1, WEN Zhijie1, LI Nan1, WANG Qingbiao1

(1. Department of Resources and Civil Engineering, Shandong University of Science and Technology, Tai’an 271019, China?2. Research Center of Geotechnical & Structural Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;3. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

According to the situation of strata exposed during the construction process, combined with the deformation monitoring of surrounding rock, the deformation condition was analysed. According to the detection results of rock mass during construction, the finite element model of large underground powerhouse cavern group was established. Using the deformation monitoring data, the mechanical parameters of surrounding rock of underground powerhouse cavern group was obtained by inversion analysis. Combined with the results of numerical simulation, the deformation law of surrounding rock was analyzed. The results show that the excavation of the first layer in the main powerhouse passes through the surrounding rock whose type is Ⅲ1, Ⅲ2and IV. Deformation of surrounding rock is influenced more obviously by rock properties. In the location of auxiliary powerhouse which passes through surrounding rock of type IV, the deformation of surrounding rock is larger. The deformation of the No. 0+153.81 section of the main powerhouse is larger than the others and the monitoring measurement should be strengthened in surrounding rock of type IV in the subsequent excavation process.

underground caverns; deformation characteristics; stability

TU923

A

1672?7207(2017)04?1096?08

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.04.033

2016?04?07；

2016?06?03

國家自然科學基金資助項目(51409154)；山東科技大學杰出青年科技人才支持計劃項目(2015JQJH106, 2014JQJH105)；山東科技大學科研創(chuàng)新團隊支持計劃(2014TDJH103)；山東省高等學?？萍加媱濏椖?J16LG03)(Project (51409154) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects (2015JQJH106, 2014JQJH105) supported by the Research Fund of Shandong University of Science and Technology for the Outstanding Young Scientists; Project (2014TDJH103) supported by the Research Fund of Shandong University of Science and Technology for the Scientific Research Innovation Team; Project (J16LG03) supported by the Higher Educational Science and Technology Program of Shandong Province)

文志杰，博士，副教授，從事礦山動力災害預控研究；E-mail：sdust0532@gmail.com