瑪爾擋水電站地下廠(chǎng)房洞室圍巖穩(wěn)定三維有限元分析

章朝峰

摘要：在巖體結(jié)構(gòu)模型概化的基礎(chǔ)上，采用三維有限元方法，系統(tǒng)地研究了瑪爾擋水電站地下廠(chǎng)房圍巖穩(wěn)定變形、圍巖應(yīng)力特征以及破壞區(qū)分布等特點(diǎn)。重點(diǎn)計(jì)算、比較了支護(hù)前后及考慮滲透情況下地下洞室群圍巖應(yīng)力、變形和破壞區(qū)分布及塑性體積特征和變化規(guī)律。為洞室群穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和工程施工設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有限元法；地下洞室；圍巖穩(wěn)定；瑪爾擋水電站

1工程背景

瑪爾擋水電站地下廠(chǎng)房、主變洞及尾閘井三大洞室采用平行布置方式，地下廠(chǎng)房埋深大約205m，縱軸線(xiàn)方向NW38。，開(kāi)挖尺寸221×26×74m，最大開(kāi)挖跨度約29m，圍巖為新鮮至微風(fēng)化的石英二長(zhǎng)巖（花崗巖），強(qiáng)度高，巖體為完整至較完整塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合緊密，其中圍巖類(lèi)別主要以Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類(lèi)，局部處于斷層破碎帶的巖石為v類(lèi)。主變室及尾閘井位于厚層變質(zhì)砂巖中，主變室開(kāi)挖尺寸179×20×24.5m。

2有限元分析模型

地下洞室有限元模型如圖1所示，三維整體模型有限元網(wǎng)格如圖2所示，邊界條件為模型底面和側(cè)面均為固端約束，模型上部為地表自由表面。計(jì)算域邊界需滿(mǎn)足洞室周?chē)鷰r石厚度不少于5.5倍開(kāi)挖跨度的要求，距離地表不足4倍開(kāi)挖跨度時(shí)算至地表。計(jì)算域內(nèi)包括主廠(chǎng)房、母線(xiàn)洞、主變開(kāi)關(guān)室、尾閘室、引尾水洞等洞室。

3物理力學(xué)參數(shù)選取

結(jié)合PD18、PD02平硐、鉆孔揭露及地表測(cè)繪，地下廠(chǎng)房區(qū)主要發(fā)育NNW向、NNE向高傾角結(jié)構(gòu)面及緩傾角結(jié)構(gòu)面。圍巖為新鮮至微風(fēng)化的石英二長(zhǎng)巖（花崗巖）其強(qiáng)度高，巖體為完整至較完整塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合緊密，其中圍巖類(lèi)別主要以Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類(lèi)，局部處于斷層破碎帶的巖石為v類(lèi)。其中地下廠(chǎng)房洞室圍巖參數(shù)選取見(jiàn)表1。

根據(jù)樞紐布置，右岸二長(zhǎng)巖地下廠(chǎng)房方案主廠(chǎng)房位于二長(zhǎng)巖內(nèi)，主變室部分位于二長(zhǎng)巖中，部分位于變質(zhì)砂巖中，尾閘井位于變質(zhì)砂巖內(nèi)。

4圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

錨桿安全的評(píng)判：

本報(bào)告采用錨桿的實(shí)測(cè)拉拔力應(yīng)小于錨桿的允許拉拔力來(lái)評(píng)判錨桿安全與否。影響錨桿拉拔力的主要因素有錨桿的直徑、長(zhǎng)度、鋼的抗拉強(qiáng)度、圍巖類(lèi)別以及錨桿與巖體間粘結(jié)材料的強(qiáng)度，所以在計(jì)算錨桿的允許拉拔力時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮這些因素的綜合影響。

5結(jié)論

本文根據(jù)對(duì)瑪爾擋水電站地下廠(chǎng)房洞室群的三維非線(xiàn)性有限元分析，得出在近似地下工程進(jìn)行三維有限元計(jì)算過(guò)程中遇到諸如上述常規(guī)性的問(wèn)題時(shí)。其中主要結(jié)論和建議如下：

首先，對(duì)瑪爾擋地下廠(chǎng)房群的三維計(jì)算能考慮斜交于洞軸的較大主應(yīng)力影響，用二維計(jì)算代替三維分析并不總能得出偏于安全的結(jié)論。

其次，考慮到理論模型與數(shù)值精度之間存在的誤差。在進(jìn)行實(shí)際工程的三維計(jì)算時(shí)，單元格可不必劃分得過(guò)多，采用的理論模型也可以不必太過(guò)復(fù)雜。endprint