流固耦合作用下大型地下廠房圍巖穩(wěn)定性分析

郭雙楓, 李　寧,2, 劉乃飛, 呂　高

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所, 陜西 西安 710048; 2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

隨著我國水能資源的建設(shè)和西部開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,越來越多的大型水電工程興建于西部高山峻嶺地區(qū)。西部地區(qū)大多屬于高山峽谷和溝谷深切的地形地貌,為修建高勢能水電站提供了便利條件,大型地下洞室的圍巖穩(wěn)定性和廠房的滲流問題也因此成為熱議話題。國內(nèi)專家針對上述問題進(jìn)行了許多開拓性的研究,且獲得了行之有效的科研成果[1-4]。但是關(guān)于降雨入滲和庫水位升降后形成的滲流場以及與應(yīng)力場耦合作用下地下洞室圍巖穩(wěn)定性的研究成果還不太成熟[5]。因此,如何在力學(xué)領(lǐng)域中科學(xué)合理地分析滲流場和應(yīng)力場的耦合作用以及解釋耦合現(xiàn)象等問題[6-8],越來越受到相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者和專家的重視,也是具有重要實(shí)際意義的科學(xué)研究。

本文針對某大型地下廠房的相關(guān)特性開展了一些工作。地下工程最大的特點(diǎn)就是它的賦存環(huán)境復(fù)雜和工程本身的不確定因素太多,由于這些不確定因素的存在[7],使得每一個地下洞室都擁有各自的特點(diǎn)。該水電站地下廠房的工程規(guī)模較大,布局龐雜、斷面形狀和尺度各異、地質(zhì)條件復(fù)雜、斷層交匯,工程環(huán)境千差萬別,持續(xù)降雨和洞室內(nèi)雨水的入滲影響施工和運(yùn)行期的安全,更給圍巖穩(wěn)定性評價以及支護(hù)處理措施帶來一定困難。由于大斷層貫穿主廠房,降雨期或地下水在洞室開挖過程中形成的滲流場與應(yīng)力場之間相互作用、相互影響:水體在巖體運(yùn)動過程中形成的滲流場會發(fā)生改變,它以滲透壓力的形式施加于巖體介質(zhì)。成為外部荷載的滲透壓力使得巖土體的應(yīng)力場重分布,而巖土體位移場、體積應(yīng)變的變化受應(yīng)力場的影響較大,巖體內(nèi)的孔(空)隙比、孔(空)隙率也會隨之變化,由于多孔介質(zhì)滲透系數(shù)和裂隙大小的關(guān)系,滲透系數(shù)必定會發(fā)生變化,從而引發(fā)滲流場分布出現(xiàn)大的變動。巖土體滲流場和應(yīng)力場的相互影響結(jié)果在力學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)了一種雙場耦合的平衡關(guān)系,并且這種平衡時刻都存在著[8]。

為分析持續(xù)降雨后地下水形成的滲流場以及流固耦合作用對地下洞室群圍巖穩(wěn)定的影響,驗(yàn)證橫穿斷層對洞室的危害性。本文采用流固耦合原理的數(shù)值方法[9-10],模擬分析地下洞室群施工開挖的完整過程,并在此基礎(chǔ)上,分析并評價應(yīng)力場和滲流場共同作用下大型廠房的圍巖穩(wěn)定性難題。

1　巖體滲流場與應(yīng)力場耦合分析的數(shù)學(xué)模型

滲流場和應(yīng)力場的相互影響是相輔相成的,巖體中滲流場的變化使得巖體中的滲透力發(fā)生變化,由此巖體的位移場的改變又受到應(yīng)力場重新分布的作用。當(dāng)前有很多滲流場與應(yīng)力場耦合分析模型,如雙重介質(zhì)模型、離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型、等效連續(xù)介質(zhì)模型。但不同的數(shù)學(xué)模型有其相關(guān)的適用范疇和相關(guān)理論。本文選取等效連續(xù)介質(zhì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行滲流場與應(yīng)力場耦合分析,即將巖石視為等效連續(xù)介質(zhì),把裂隙網(wǎng)絡(luò)中的水流按流量等效原則等效到巖石中去。很多文獻(xiàn)[11]中都采用等效連續(xù)介質(zhì)模型模擬滲流場與應(yīng)力場的耦合作用。

在飽和狀態(tài)下,巖體介質(zhì)的變形為線彈性的,滲流連續(xù)方程為[12]:

(1)

式中:ΔV=ΔxΔyΔz;ρ為水的密度;n為裂隙率;Vx′、Vy′、Vz′分別為X、Y、Z方向上滲流速度矢量的分量。

通過有限元法求解,滲流場數(shù)學(xué)模型的有限元矩陣形式為:

(2)

式中:[K]為總滲透矩陣;[S]為貯水矩陣;{Q}為匯(源)項列陣;{H}為水頭。

由于水頭或降雨變化導(dǎo)致的巖體變形量,如果它的體應(yīng)變量是Δεv,代入到等效連續(xù)介質(zhì)的數(shù)學(xué)模型中求解應(yīng)力場問題。采用有限元求解應(yīng)力場,其有限元方程的矩陣形式為:

{σ}= [D][{ε}+{Δεv}]

(3)

式中:{σ}為應(yīng)力矩陣;{ε}為不考慮滲透水壓力的應(yīng)變矩陣;{Δεv}為滲透水壓力引起巖體變形的應(yīng)變列陣; [D]為彈性矩陣。

滲流場水頭的變化可能導(dǎo)致巖體的應(yīng)力狀態(tài)改變,發(fā)生應(yīng)變;同理,外界荷載或地應(yīng)力的改變會引起巖體中地下水位的變化。將應(yīng)變增量和水頭壓力的改變在式(2)～(3)中相互迭代,便形成了滲流場與應(yīng)力場耦合分析數(shù)學(xué)模型:

(4)

式中:Ew為地下水的體積彈性模量;γ為容重。

2　工程概況

2.1　工程背景

某水電站是龍羊峽以上黃河干流湖口～羊曲河段規(guī)劃梯級的第八座水電站,電站距西寧公路里程369 km。該水電站水庫總庫容15.02億m3,最大壩高211 m,裝機(jī)容量2 200 MW(4臺520 MW+1臺120 MW),工程規(guī)模為一等大(1)型工程。該地下廠房主要由主廠房、主變室、尾水閘、母線洞、尾水洞等洞室組成。其地下廠房埋深約200 m,開挖跨度221.45 m×26.6 m×74.1 m,縱軸線方向NW40°,最大開挖尺寸為28.8 m。巖體主要為較完整～完整塊狀結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)面結(jié)合緊密,為中等發(fā)育～不發(fā)育,圍巖為二長巖,圍巖類別以Ⅱ、Ⅲ1類為主,部分?jǐn)鄬悠扑閹Ъ傲严睹芗癁棰纛?。主變室及尾閘井位于厚層變質(zhì)砂巖中,主變室開挖尺寸178.85 m×19.8 m×24.5 m[13]。

2.2　地下水

根據(jù)地質(zhì)勘探及現(xiàn)場觀測,洞室內(nèi)很多地方出現(xiàn)地下水聚集滲流,受斷層影響這個地區(qū)的地下水有以下明顯特性[14]:

1) 地下水集中滲流,沿結(jié)構(gòu)面相交或密集部位流動。

2) 地下水在平洞及洞底附件滲流較明顯,大多以滲水或滴水甚至流水的方式。

3) 受上部第三系紅層影響,地下水水流呈鐵銹

色,銹染嚴(yán)重。

2.3　水文地質(zhì)條件

2.4　圍巖力學(xué)參數(shù)

按不同巖性和風(fēng)化、卸荷分帶,根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、編錄、平硐彈性波測試和鉆孔取芯等大量統(tǒng)計成果,依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50287—99)》和《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)(GB50218—94)》的劃分原則,綜合確定各壩址巖體完整性及圍巖力學(xué)參數(shù)。根據(jù)大量的裂隙調(diào)查統(tǒng)計、巖體鉆孔壓水試驗(yàn)成果和室內(nèi)巖體試驗(yàn),研究壩區(qū)巖石的強(qiáng)度特征及滲透特性,以及淺部風(fēng)化帶潛水和深部裂隙承壓含水層,得到分區(qū)的力學(xué)參數(shù)及滲透系數(shù)見表1。根據(jù)提供的地質(zhì)剖面圖和洞室圍巖類別可將整體圍巖分為六類巖體,地下洞室?guī)缀文Ｐ鸵妶D1。

表1　圍巖物理力學(xué)參數(shù)表[14]Tab.1　Physical and mechanical parameters of the surrounding rock

圖1　地下洞室?guī)缀螆DFig.1　The geometric figure of underground caverns

3　計算模型建立

3.1　模型建立

選取該地下廠房第Ⅲ剖面為分析斷面,數(shù)值模型以垂直于廠房縱軸線方向并且指向下游為X軸正方向,鉛直高度方向向上為正,是Y軸正方向。X方向的長度為376.6 m,Y方向從最低點(diǎn)起向上取到地表面,最大高度達(dá)約373.0 m[13]。根據(jù)地質(zhì)剖面圖和地質(zhì)資料把計算區(qū)域剖分為三角形和四邊形單元,單元總數(shù)為3 023個,單元結(jié)點(diǎn)總數(shù)為2 743個,洞室群二維有限元網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2　計算區(qū)域網(wǎng)格剖分圖(二維)Fig.2　Mesh generation of calculation region(2D)

3.2　邊界條件選取及荷載

邊界條件:底部邊界為隔水邊界,下游和上游為定水頭邊界(下游水頭:376 m;上游水頭:373 m)上部邊界為降雨入滲邊界,由于長期降雨,按照圍巖處于飽和狀態(tài)考慮,滲流按照穩(wěn)態(tài)滲流計算。力學(xué)邊界為模型上部，為自由表面,其底面和側(cè)面均為水平和豎向約束,數(shù)值計算區(qū)域邊界符合洞室圍巖厚度大于5倍開挖跨度的條件。模擬區(qū)域包括主廠房、主變室、尾閘室、母線洞、引尾水洞等洞室。模型中考慮了巖性分界線、巖層分界線以及斷層F77,斷層與圍巖呈侵入接觸,接觸面緊密,巖質(zhì)無蝕變?nèi)趸E象。

該水電站地下廠房豎直地應(yīng)力以巖體自重應(yīng)力為主,水平地應(yīng)力采用豎直地應(yīng)力乘側(cè)壓力系數(shù)K0以及構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力表示,如式(5)～(7)所示。地應(yīng)力的施加方式采用體積力的賦值方法。

鉛直主應(yīng)力:

σV=γH

(5)

最大水平主應(yīng)力:

σH=(K0+ε1)σV

(6)

最小水平主應(yīng)力:

σH=(K0+ε2)σV

(7)

3.3　開挖方案模擬

地下洞室群設(shè)計開挖順序見圖3,本文模型開挖方案按照工程實(shí)際分為15步進(jìn)行,洞室開挖方案見表2。

圖3　廠房分層開挖示意圖Fig.3　Excavation layers of powerhouse

分期開挖主廠房主變室尾閘室其它第1期C1?1T1第2期C1?2第3期T2第4期C2Z1?1T3第5期Z1?2T4第6期C3?1Z2第7期C3?2T5第8期C4?1Z3G1第9期G2第10期C4?2Z4M1第11期C5M2第12期C6第13期C7第14期C8第15期C9

4　應(yīng)力場對圍巖穩(wěn)定性的影響

4.1　計算工況

為了分析應(yīng)力對地下廠房洞室群滲流場的影響以及對滲入廠房滲流量的影響,本文考慮如下兩種計算工況進(jìn)行對比分析:①工況1:僅考慮滲流作用;②工況2:考慮應(yīng)力場和滲流場共同作用,即耦合作用。

4.2　計算結(jié)果分析

工況1和工況2的對比分析計算結(jié)果如下:

4.2.1滲流量結(jié)果分析

從通過巖體滲入地下廠房的滲流量來看,工況1和工況2最終向地下廠房的滲流總量分別為2 318.75 cm3/s和1 828.70 cm3/s,考慮耦合作用后,滲流量比原來減少了490.05 cm3/s。工況1和工況2各個洞室的滲流量的分布特征大體相同,不同洞室滲流量如表3所示。

表3　不同洞室滲流量Tab.3　Seepage flow of each chamber

從表3可以看出,主廠房的滲流量遠(yuǎn)大于其它洞室,依據(jù)地質(zhì)勘察資料可知,最主要是由于有大斷層F77穿過,主廠房受斷層影響較大所致。工況1主廠房滲流量達(dá)到2 245.37 cm3/s,工況2主廠房滲流量達(dá)到1 770.80 cm3/s,其滲流量較大。因此,在施工程中,斷層穿越處應(yīng)及時做好防護(hù)排水措施。對于無斷層穿過的主變室,尾水閘,母線洞和尾水閘滲流量變化不大,僅僅受過流斷面積的影響,總體最大滲流量為55.21 cm3/s,對工程影響較小。與工況1相比,工況2各個洞室的滲流量有所減小,其原因在于廠房開挖過程中,考慮應(yīng)力場的重新分布。應(yīng)力場的改變導(dǎo)致體積應(yīng)變發(fā)生變化,繼而巖體中裂隙和斷層會出現(xiàn)張開或閉合現(xiàn)象,滲透系數(shù)也會隨之變化,截面面積含水量的減少受裂隙閉合的影響較大。巖石的滲透率會受應(yīng)力狀態(tài)的影響而表現(xiàn)出各向異性,因此,有效應(yīng)力和裂隙的寬度關(guān)系很難準(zhǔn)確把握。

4.2.2裂隙水壓力結(jié)果分析

為驗(yàn)證應(yīng)力作用對滲流場的影響,考慮了兩種工況下的裂隙水壓力,裂隙水壓力的消散過程與應(yīng)力過程相關(guān),即滲流-應(yīng)力耦合效應(yīng)。根據(jù)計算結(jié)果,工況1和工況2的裂隙水壓力等值線的分布有所不同,見圖4。從圖4可以看出,僅考慮滲流場時,裂隙水壓力等勢線的分布較為均勻,等勢線沿Y軸正方向逐次減小。工況1中上游最大裂隙水壓力為3.5 MPa,廠房底部裂隙水壓力為0.5 MPa,廠房頂部裂隙水壓力為-0.5 MPa?？紤]應(yīng)力場和滲流場共同作用時,裂隙滲透系數(shù)隨法向應(yīng)力的增加而降低,也可能隨著側(cè)向壓力的增加而增大。對比圖4中圖(a)和圖(b),地下廠房的裂隙水壓力分布規(guī)律差別不大,但裂隙水壓力值的大小有所變化,主廠房底部的裂隙水壓力由0.5 MPa減小到0.2 MPa。工況2中下游最大裂隙水壓力為3.2 MPa,廠房頂部裂隙水壓力為-0.4 MPa。隨著地下廠房的開挖,工程荷載和施工活動作用于巖體之上,巖體結(jié)構(gòu)受到一定影響,應(yīng)力場重分布致使?jié)B透系數(shù)發(fā)生變化,從而引起裂隙水壓力發(fā)生改變,在洞室周圍可能產(chǎn)生新的裂縫,也可能使原有的裂縫發(fā)生閉合,最終引起巖體中地下水形態(tài)和力學(xué)特征的改變。

圖4　裂隙水壓力等值線圖Fig.4　The pore-water pressure isoline

5　滲流場對圍巖穩(wěn)定性的影響

當(dāng)巖體中存在滲流時,由于水流的力學(xué)、物理、化學(xué)等作用,會對巖體的抗剪強(qiáng)度有較大的影響。巖體處于干燥狀態(tài)時,它的抗剪強(qiáng)度表示為:

τ=σtanφ+c

(8)

其中:τ為干燥狀態(tài)巖體的抗剪強(qiáng)度,c和φ分別為干燥狀態(tài)巖體的粘聚力和內(nèi)摩擦角,σ為巖體滑動面的法向應(yīng)力(即法向有效應(yīng)力)。

巖體處于地下水位以下,并且出現(xiàn)隨意方向的滲流時,巖體的抗剪強(qiáng)度表示為:

τ=σ′tanφ′+c′=(σ-γH+γJHsinα)tan(φ-

Δφ)+(c-Δc)±γJH|cosα|

(9)

其中:σ′為滑動面上的法向有效應(yīng)力;c′,φ′分別為處于靜水中的巖體的粘聚力和內(nèi)摩擦角;Δc,Δφ分別為靜水使巖體的粘聚力和內(nèi)摩擦角的降低值;γ為水的容重;H為已知水頭;α為水平方向到滲流方向的夾角;J為水頭h沿滲流方向l的水力坡度[15]。

5.1　計算工況

為分析開挖過程中滲流對地下廠房洞室群應(yīng)力場的影響,本文探討以下兩種工況且進(jìn)行對比分析:①工況1:僅考慮應(yīng)力場作用;②工況2:考慮滲流場作用,即滲流場與應(yīng)力場產(chǎn)生耦合。

5.2　計算結(jié)果分析

5.2.1應(yīng)力結(jié)果分析

廠房軸線方位NW320°時,地下廠房中心剖面應(yīng)力場分布見圖5～6(單位:MPa)。圖中垂直坐標(biāo)為廠房分析模型高程的起點(diǎn)向上取到地表面，水平坐標(biāo)為廠房縱軸線方位NW320°的水平方向分析區(qū)域范圍(單位：m)。

圖5　廠房剖面水平方向應(yīng)力分布圖Fig.5　Stress distribution in horizontal direction of center section

圖6　廠房剖面豎直方向應(yīng)力分布圖Fig.6　Stress distribution in the vertical direction of the center section

依據(jù)開挖方案,隨著開挖的推進(jìn),開挖洞室周圍的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力總體呈現(xiàn)慢慢增大趨勢。第15步開挖完成后應(yīng)力云圖見圖7。由圖7可以看出:(工況1)廠房開挖完成后,洞周圍巖應(yīng)力分布均勻,第一主應(yīng)力σ1多為切向應(yīng)力,σ1逐漸增加,第三主應(yīng)力σ3多為徑向應(yīng)力,向洞內(nèi)釋放,逐漸減小。隨著施工過程的推進(jìn),下部開挖對圍巖應(yīng)力的擾動逐漸減小。在主廠房的兩拱邊斷層部位、主廠房與主變室之間以及洞室拐角等部位出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。主變室上游邊墻和尾水閘的兩邊墻部位壓力值較大,出現(xiàn)應(yīng)力松弛區(qū),這些相應(yīng)部位在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控和支護(hù)處理,以防止應(yīng)力釋放產(chǎn)生的圍巖破壞。開挖完成后廠區(qū)圍巖主要以壓應(yīng)力為主,局部圍巖有拉應(yīng)力存在,最大壓應(yīng)力18.1 MPa,最大拉應(yīng)力0.72 MPa。雖然存在拉應(yīng)力,但量值不大。

圖7　第15步開挖完成后應(yīng)力云圖Fig.7　Stress contours after the completion of 15th step excavation

兩種工況的洞周應(yīng)力分布規(guī)律大體相同,工況2情況下,洞周徑向和切向應(yīng)力值略有增大,主廠房頂拱和斷層部位、兩側(cè)邊墻及洞室連接部位應(yīng)力集中現(xiàn)象有所增加,主廠房邊墻出現(xiàn)一定范圍的拉應(yīng)力。各洞室的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力都略有加大,但壓力值增大幅度不大于2 MPa。由此說明地下水的滲流作用對洞周圍巖的應(yīng)力分布沒有太大影響。水體在巖體中形成的滲流場不僅會降低圍巖的抗剪強(qiáng)度,而且滲流場在巖體中形成的滲透力會成為外部荷載,增加圍巖內(nèi)部的剪應(yīng)力。

5.2.2位移結(jié)果分析

圖8(工況1)為第14步和15步開挖完成后總變形云圖。洞室開挖完成后,三個洞室圍巖的變形規(guī)律基本相同,均向洞室的臨空面變形。主廠房上游邊墻變形最大,主要以水平變形為主,最大變形32.6 mm,拱頂下沉,變形相對較小,底板出現(xiàn)回彈,在洞室交叉口處,位移梯度有所增大,分布不均勻。主變室受主廠房和母線洞開挖的干擾,拱頂及下游邊墻變形較大,拱邊相對較小,最大變形11.5 mm。尾閘室下游邊墻變形最大,拱頂變形相對較小,最大變形18.2 mm。隨著開挖的進(jìn)行,上部圍巖變形受下部巖體開挖的影響逐漸減弱,比較三大洞室的變形可以看出,主廠房的變形比尾水閘大,而主變室的變形相對較小。

圖8　第14-15步開挖完成后總變形云圖Fig.8　Total deformation cloud after the completion of 14-15th step excavation

洞室周圍關(guān)鍵點(diǎn)示意圖,見圖9。開挖過程中,圍巖各關(guān)鍵點(diǎn)的變形變化規(guī)律見圖10。

圖9　洞室周圍關(guān)鍵點(diǎn)示意圖Fig.9　Schematic diagram of the key points around the cavern

圖10　各關(guān)鍵點(diǎn)變形規(guī)律圖Fig.10　The deformation regularity of each key point

從圖10可以看出,開挖完成后變形最大位置在主廠房上游邊墻,其值為32.6 mm;下游邊墻變形值為30.6 mm,主變室下游邊墻變形值為11.9 mm,底板變形值為9.5 mm;尾閘室拱頂變形值為4.8 mm,上游邊墻變形值為1.6 mm,下游變形值為18.2 mm,底板變形值為7.7 mm。洞室分層開挖對圍巖的位移有很大的影響,各個關(guān)鍵點(diǎn)的位移量隨施工的進(jìn)行不斷的增大。雖然位移量值均在允許范圍內(nèi),但仍需對以各洞室的關(guān)鍵部位進(jìn)行支護(hù)加固。

開挖完成后,工況2的洞周位移變化分布與無滲流工況規(guī)律類似,耦合作用下,主廠房上游邊墻最大位移增加了8.4 mm,增大了25.7%;主變室下游邊墻增大到14.7 mm,增大了18.5%;尾水閘下游邊墻位移約增大了6.7 mm,各洞室的其它關(guān)鍵部位變形增加幅度相對較小。對比兩種工況,滲流作用增加了圍巖的變形且對圍巖穩(wěn)定性造成一定的威脅。

5.2.3塑性區(qū)結(jié)果分析

全部開挖完成后,塑性區(qū)主要分布在主廠房上游邊墻、拱邊和主廠房與主變室之間區(qū)域,分布的范圍較廣,深度較大,三個洞室拱頂塑性區(qū)分布較均勻,但深度不大。兩種工況開挖完成后的塑性區(qū)分布圖見圖11。(工況1)主廠房上下游邊墻最大塑性區(qū)范圍分別約為9.8 m和7.6 m,斷層穿越部位塑性區(qū)有所增大。主變室上下游邊墻最大塑性區(qū)范圍分別為5.4 m和5.3 m,底部最大塑性區(qū)范圍約5.7 m。尾閘室塑性區(qū)分布范圍較小,其拱頂最大塑性區(qū)范圍約2.2 m。錨桿的錨固長度必須大于各洞室圍巖破壞區(qū)的范圍,且要打入完整巖體一定長度,以保證增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性的作用。

圖11　開挖完成后塑性區(qū)分布圖Fig.11　Plastic zone after the completion of excavation

從塑性區(qū)分布范圍來看,考慮滲流作用后,塑性區(qū)范圍比工況1明顯增大,雨水和地下水致使巖體的擾動和破壞區(qū)范圍增加。工況2情況下,主廠房上游邊墻最大塑性區(qū)范圍約11.52 m,下游與母線洞交接處最大塑性區(qū)范圍約10.6 m,主變室下游邊墻最大塑性區(qū)深度約6.4 m,比工況1的增幅達(dá)38%。由此可見,滲流場增加了洞室附近巖體的塑性區(qū)發(fā)展,對圍巖的穩(wěn)定性不利。

6　結(jié)　論

1) 由于該水電站地下廠房洞室群處于地應(yīng)力較高、有大斷層F77穿越主廠房、巖體類型復(fù)雜、工程環(huán)境惡劣等不利條件下,地下水和長期大量降雨使有斷層穿越的洞室群發(fā)生變形、滲水和圍巖松動區(qū)連續(xù)發(fā)展等現(xiàn)象。因此,本文采用流固耦合理論對該廠房進(jìn)行穩(wěn)定性分析且緊密關(guān)注其發(fā)展。

2) 持續(xù)降雨情況下,巖體長期處于飽和狀態(tài),且有大斷層橫穿主廠房,僅考慮滲流作用時,主廠房內(nèi)的滲流量達(dá)到2 245.37 cm3/s?？紤]耦合作用時,主廠房的滲流量為1 828.7 cm3/s。其他洞室的滲流量相對較小,最大不超過55.0 cm3/s。建議在斷層穿越處做好支護(hù)和排水的有效措施。本文僅對滲流場采用了二維分析,并未做三維場的分析,在后續(xù)工作中將繼續(xù)努力改進(jìn)。

3) 廠房處于高應(yīng)力區(qū)域,洞室開挖后主廠房上游邊墻和主變室的下游邊墻產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力,最大壓應(yīng)力為18.1 MPa,洞室拐角處和洞室交匯處均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。耦合作用下,各洞室的應(yīng)力值增大幅度不超過2 MPa,應(yīng)加強(qiáng)拉應(yīng)力和應(yīng)力集中部位的支護(hù)。

4) 開挖完成后,洞室的變形以水平位移為主,邊墻位移大于拱頂和底板等其他部位,非耦合作用下,最大位移為32.6 mm,塑性區(qū)最大分布范圍為9.8 m。耦合作用下,位移增大了25.7%,塑性區(qū)最大增長幅值為38%。

5) 滲流場作用使巖土體的抗剪強(qiáng)度降低,對地下廠房圍巖穩(wěn)定性影響較明顯,考慮應(yīng)力場和滲流場耦合作用是非常必要的。尤其是關(guān)鍵部位和應(yīng)力集中部位應(yīng)加強(qiáng)排水和錨固支護(hù)措施。

參考文獻(xiàn):

[1] 姚顯春, 李寧, 陳莉靜, 等. 拉西瓦水電站地下廠房洞室群分層開挖過程仿真反演分析 [J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2011, 30(增刊1): 3052-3059.

YAO Xianchun, LI Ning, CHEN Lijing, et al. Back analysis of surrounding rock stability based on excavation process underground powerhouse at LAXIWA Hydropower Station [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(S1): 3052-3059.

[2] 石廣斌, 李寧. 高地應(yīng)力下大型地下硐室塊體變形特征及其穩(wěn)定性分析 [J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2009, 28(增刊1): 2884-2890.

SHI Guangbin, LI Ning. Analyses of block deformation characteristics of large underground cavern and its stability under high in-situ stress [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(S1): 2884-2890.

[3] 李寧, 孫宏超, 姚顯春, 等. 地下廠房母線洞環(huán)向裂縫成因分析及處理措施 [J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2008, 27(3): 439-446.

LI Ning, SUN Hongchao, YAO Xianchun, et al. Cause analysis of circumferential splits in surrounding rock of busbar tunnels in underground powerhouses and reinforced measures [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(3): 439-446.

[4] 李寧, 羅俊忠, 常斌, 等. 硐室設(shè)計與分析的新思路與新方法 [J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2006, 25(10): 2155-2159.

LI Ning, LUO Junzhong, CHANG Bin, et al. New method for design and analysis of underground caverns [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(10): 2155-2159.

[5] 蘇國韶, 符興義, 燕柳斌. 流場作用下大型地下廠房圍巖穩(wěn)定性分析 [J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2010, 6(4): 717-723.

SU Guoshao, FU Xingyi, YAN Liubin. Surrounding rock stability analysis of large underground plant under seepage condition [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2010, 6(4): 717-723.

[6] 蘇鵬云, 肖明. 瀑布溝水電站地下廠房巖體滲流場對圍巖穩(wěn)定的影響分析 [J]. 水電站設(shè)計, 2005, 21(2): 24-28.

SU Pengyun, XIAO Ming. Analysis of Pubugou Hydroelectric Power Station underground power house rock mass seepage field impacts on surrounding rock stability [J]. Design of Hydroelectric Power Station, 2005, 21(2): 24-28.

[7] 李寧, 張平, 段慶偉, 等. 裂隙巖體的細(xì)觀動力損傷模型 [J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2002, 21(11): 1579-1584.

LI Ning, ZHANG Ping, DUAN Qingwei, et al. Dyanmic meso-damage model of jointed rock mass [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(11): 1579-1584.

[8] 柴軍瑞. 大壩及其周圍地質(zhì)體中滲流場與應(yīng)力場耦合分析 [D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2000.

CHAI Junrui. Analysis of coupled seepage and stress fields in dam and its surrounding rock mass [D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2000.

[9] 裴桂紅, 吳軍, 劉建軍, 等. 深基坑開挖過程中滲流-應(yīng)力耦合數(shù)值模擬 [J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2004, 23(增刊2): 4975-4978.

PEI Guihong, WU Jun, LIU Jianjun, et al. Numerical modeling of seepage-stress coupling of deep foundation pit excavation [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(S2): 4975-4978.

[10] 倪才勝, 白世偉, 韓昌瑞. 某水力樞紐基坑開挖過程滲流耦合數(shù)值模擬 [J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(增刊1): 37-41.

NI Caisheng, BAI Shiwe, HAN Changrui. Numerical simulation of hydro-mechanical coupling for a hydraulic project pit in excavation process [J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(S1): 37-41.

[11] 柳厚祥, 李寧, 廖雪, 等. 考慮應(yīng)力場與滲流場耦合的尾礦壩非穩(wěn)定滲流分析 [J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2004, 23(17): 2870-2875.

LIU Houxiang, LI Ning, LIAO Xue, et al. Unsteady seepage analysis of tailings dams considering coupling of stress and seepage fields [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(17): 2870-2875.

[12] 侯偉. 公路隧道的滲流場與應(yīng)力場的耦合分析 [D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2006.

HOU Wei. Analysis of coupled seepage fields and stress fields in highway tunnel [D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2006.

[13] 趙靖偉. 青海瑪爾擋水電站廠區(qū)地下洞室群圍巖穩(wěn)定分析 [D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2014.

ZHAO Jingwei. Stability analysis of surrounding rock for underground cavities of Qinghai Ma’erdang Hydropower Plant [D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2014.

[14] 張順. 瑪爾擋電站地下廠房洞室工程地質(zhì)研究 [D]. 蘭州: 蘭州大學(xué), 2011.

ZHANG Shun. Engineering geological study on caverns of the underground powerhouse at Ma’erdang Hydropower Station [D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2011.

[15] 柴軍瑞, 崔中興. 滲流對土體抗剪強(qiáng)度的影響 [J]. 巖土工程技術(shù), 2001, 12(1): 8-10.

CHAI Junrui, CUI Zhongxing. Effect of seepage on soil shearing strength [J]. Geotechnical Engineering Technique, 2001, 12(1): 8-10.