復(fù)雜地質(zhì)條件下大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定性研究

蘇 超，茆曉靜，趙業(yè)彬，魏琳帆

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210000)

0 引 言

我國的水能資源主要集中在西南地區(qū)高山峽谷中，大型水電樞紐工程的開發(fā)與建設(shè)受該地區(qū)地形條件限制，多采用地下廠房式布置，進而形成了規(guī)模巨大的地下廠房洞室群[1]。斷層等軟弱地質(zhì)結(jié)構(gòu)面及高地應(yīng)力是控制地下洞室群圍巖穩(wěn)定的主要影響因素。為保證工程建設(shè)的安全，必須解決好地下洞室群的圍巖穩(wěn)定問題。地質(zhì)力學(xué)模型試驗、數(shù)值分析及理論分析等方法是解決上述問題的有效途徑[2]。其中，數(shù)值分析方法因具有高效、方便、費用低等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[3]。如李金河等[4]采用損傷彈塑性數(shù)值方法對層間或?qū)觾?nèi)錯動帶地質(zhì)條件下溪洛渡水電站的圍巖穩(wěn)定性進行分析，確定洞室開挖順序和支護參數(shù)；李睿等[5]采用FLAC3D軟件模擬GS水電站研究區(qū)域的三維形態(tài)，研究深埋地下洞室的圍巖穩(wěn)定性；胡煒等[6]采用三維有限元對錦屏一級水電站進行了數(shù)值模擬，研究了在地應(yīng)力水平高、巖體強度低的地質(zhì)條件下洞室圍巖的穩(wěn)定性；曾靜等[7]利用FLAC3D程序中的Ubiquitious模型引入一組主要節(jié)理裂隙，分析了此組節(jié)理裂隙對佛子嶺抽水蓄能電站地下洞室群圍巖的整體穩(wěn)定性的影響。

本文以西南地區(qū)某復(fù)雜地質(zhì)條件下(工程區(qū)域發(fā)育有4條較大斷層)大型地下洞室群為例，建立了考慮優(yōu)勢斷層結(jié)構(gòu)面的三維地質(zhì)模型，采用三維非線性有限元法分析該地下洞室群的開挖與支護過程，研究復(fù)雜地質(zhì)條件下地下洞室群圍巖穩(wěn)定性及支護方案的合理性。

1 工程地質(zhì)概況

某水電站位于金沙江上游，其地下洞室群主要包括主廠房、主變室、4條母線洞、1條主變運輸洞及4條尾水洞和4條引水洞，廠房內(nèi)安裝4臺單機容量為500 MW的混流式水輪發(fā)電機組。廠房洞室鉛直埋深175～365 m，水平埋深102～290 m。主廠房軸向為N37.8°E，與巖層夾角為50°～80°，開挖尺寸180.00 m×29.50 m×73.913 m(長×寬×高)。主變室位于主廠房下游，與主廠房平行布置，開挖尺寸178.00 m×19.80 m×20.90 m(長×寬×高)。廠區(qū)發(fā)育有3條NE向斷層(F6、F14、F16)和1條SW向斷層F10。地下洞室群與斷層的相對關(guān)系見圖1。其中，F(xiàn)6、F14、F16斷層影響寬度約1 m，F(xiàn)16斷層影響寬度約8.5 m。

圖1 地下洞室群與斷層的相對關(guān)系

2 計算模型

2.1 模型建立

坐標(biāo)系：主廠房軸線方向為X軸，指向副廠房方向為正；上、下游方向為Y軸，指向下游尾水管為正；鉛直向為Z軸，向上為正。1號機組中剖面與高程2 504 m處廠房軸線的交點為坐標(biāo)原點。計算范圍：廠房軸線方向取615 m，左側(cè)選取至河床，右側(cè)離右側(cè)端墻200 m；上游處以引水洞拐點為界，下游處選取離尾水洞出口200 m處；垂直方向向下為主廠房底板以下200 m，向上為主廠房頂拱至地表面。計算模型網(wǎng)格采用4面體單元，斷層破碎帶采用巖體力學(xué)參數(shù)弱化等效模擬，除山體頂部為自由邊界外，四周施加法向約束，山體底部施加三向約束。計算網(wǎng)格節(jié)點數(shù)97 514個，單元數(shù)457 718個。三維數(shù)值模型見圖2。

圖2 三維數(shù)值模型

2.2 計算參數(shù)

廠房位于微新巖體內(nèi)，地表出露的地層巖性為大理巖、角閃片巖、綠泥角閃片巖夾云母石英片巖、大理巖條帶及蝕變綠泥角閃片巖。巖層產(chǎn)狀總體上為N20°～50°W，SW∠35°～50°。受片理切割的影響，巖體呈次塊狀，洞室圍巖以Ⅲ1類為主。根據(jù)洞室圍巖初步分類和地質(zhì)資料，斷層圍巖為Ⅳ類，高程2 660 m以上的巖層為Ⅱ類，其他設(shè)置為Ⅲ1類。計算采用彈塑性本構(gòu)模型，強度采用Mohr-Coulomb屈服強度。巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 計算方案

地下洞室群的開挖共分9級進行，洞周關(guān)鍵點位置及分期開挖見圖3。主洞室支護形式及參數(shù)見表2。針對廠房區(qū)域存在的優(yōu)勢斷層，在設(shè)計支護方案的基礎(chǔ)上，對斷層F10及附近區(qū)域進行加強，錨桿加密為1.0 m×1.0 m，并在主廠房上游墻中部以上增加布置長20 m、200 t、@4 500的錨索。計算中，錨桿和錨索采用桿單元模擬，襯砌采用殼單元進行模擬。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

表2 主洞室支護型式及參數(shù)

圖3 洞周關(guān)鍵點位置及分期開挖(高程：m)

3 計算結(jié)果與分析

以2號機組中剖面為例進行分析，地質(zhì)模型見圖4。為便于分析，在洞周選取圖3所示的關(guān)鍵點。

圖4 2號機組中剖面地質(zhì)模型

3.1 圍巖位移

圖5 開挖完成后洞周圍巖位移等值線云圖(單位：m)

洞室群開挖完成后2號機組中剖面的位移等值線云圖見圖5。圖中，U2為水平向位移，U3為鉛直向位移。從圖5可以看出，有、無支護工況下洞周圍巖變形規(guī)律基本一致，圍巖變形主要集中在斷層出露部位。無支護工況下，主廠房上游墻最大變形發(fā)生在洞室與斷層F10相交部位，量值近86.60 mm；下游墻最大變形發(fā)生在母線洞及斷層F14附近相對薄弱區(qū)域，量值達(dá)97.56 mm。主變室最大水平位移達(dá)42.39 mm，發(fā)生在下游墻中部與F10斷層相交區(qū)域附近。圖6為有、無支護工況下洞周關(guān)鍵點位移。從圖6可知，施加支護方案后，洞室圍巖變形量值有所減小。其中，在主廠房與F10斷層相交處位移減小16.00 mm，其他部位的位移減小幅度平均為12.0%。

圖6 有、無支護工況下關(guān)鍵點位移對比

3.2 圍巖應(yīng)力

圖7為洞室群開挖完成后有、無支護工況下洞周圍巖主應(yīng)力分布云圖。圖中，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。從圖7可知，洞室群開挖完成后，受斷層F6、F10的切割作用，斷層及其附近區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力突變現(xiàn)象。其中，無支護工況下，洞室高邊墻及斷層出露部位均出現(xiàn)不同程度拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力量值達(dá)1.04 MPa；主廠房底部拐角處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，量值達(dá)-25 MPa，但在整個開挖過程中應(yīng)力均沒有超過巖石的抗壓強度。施加支護方案后，洞室圍巖應(yīng)力值改善不明顯，但主廠房上、下游側(cè)墻的拉應(yīng)力分布范圍減小明顯，且應(yīng)力突變和壓應(yīng)力集中現(xiàn)象均得到了明顯改善。

3.3 圍巖塑性區(qū)

圖8為2號機組中剖面洞周圍巖塑性區(qū)分布。從圖8可以看出，無支護工況下，斷層F6和F10貫穿洞室的部位均出現(xiàn)了成片的塑性區(qū)。其中，主廠房頂拱F6斷層處出現(xiàn)了長約34.8 m的塑性區(qū)，深度較大；主廠房底部出現(xiàn)深度在3 m以內(nèi)的塑性區(qū)；主變室的塑性區(qū)主要發(fā)生在上、下游墻和斷層F10相交部位，深度在3.0 m以內(nèi)。支護工況下，圍巖塑性區(qū)的分布規(guī)律與無支護方案基本相同，但整個洞周的塑性開裂破壞區(qū)發(fā)展較慢，且分布范圍較無支護方案有明顯減小，特別是斷層及其附近區(qū)域支護效果顯著。

4 結(jié) 語

本文以西南地區(qū)某復(fù)雜地質(zhì)條件下大型地下洞室群為例，采用非線性有限元法，對地下洞室群的圍巖穩(wěn)定進行了計算分析。計算結(jié)果表明，在斷層及其出露部位圍巖的變形及塑性區(qū)發(fā)育深度均較大，其中，主廠房頂拱F6斷層處出現(xiàn)了長約34.8 m的塑性區(qū)。施加支護方案后，洞周圍巖變形減少了約12%，斷層F10區(qū)域減少達(dá)20%；塑性開裂破壞區(qū)發(fā)展較慢且分布范圍較無支護方案有明顯減小。以上研究表明，該工程支護方案合理可行，可為同類工程提供參考。

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