地下廠房不同失穩(wěn)模式下危石加固機(jī)制研究

張 志

(桓仁西江發(fā)電有限公司,遼寧 本溪 117200)

1 工程概況

勝利水電站屬于遼寧省在蘇子河上規(guī)劃建設(shè)的重要水利工程，其壩址位于新賓縣勝利村境內(nèi)。勝利水電站是蘇子河梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的最后一級(jí)，是一座以發(fā)電為主，兼具各種綜合功能的大型水利樞紐工程[1]。該工程的設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為14 100 kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量為3454萬(wàn)kW·h。電站的設(shè)計(jì)庫(kù)容為6.98億m3，設(shè)計(jì)洪水為30 a一遇，設(shè)計(jì)水位為146.78 m，校核洪水為100 a一遇，校核水位為148.07 m，水庫(kù)的正常蓄水位為146.00 m，死水位為145.40 m[2]。勝利水電站壩址位置位于蘇子河上游的峽谷內(nèi)，兩岸山高谷深，河道彎曲，“S”型，工程河段總體為右凸岸，坡度較大，平均坡度為40°～45°。勝利水電站的地下發(fā)電廠房位于大壩左岸，其地質(zhì)構(gòu)造主要是原生構(gòu)造、斷裂構(gòu)造以及褶皺構(gòu)造[3]。其中，斷裂構(gòu)造主要為斷層、裂隙和節(jié)理以及層內(nèi)和層間錯(cuò)動(dòng)帶，構(gòu)造變形形式和構(gòu)造組合相對(duì)比較簡(jiǎn)單。由于地下廠房屬于跨度較大的地下洞室結(jié)構(gòu)，且位于高應(yīng)力區(qū)域，在開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)了大量掉塊、片幫以及結(jié)構(gòu)面劈裂等圍巖卸荷現(xiàn)象。因此，研究開(kāi)挖卸載條件下的危石錨固和加固機(jī)制，對(duì)地下洞室的安全施工和穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

2 研究方法

2.1 3DEC離散元計(jì)算模型

離散單元法(DEM)是當(dāng)前巖土工程理論研究中的重要方法。該方法認(rèn)為巖體并不是一個(gè)完整的整體，而是被其內(nèi)部的節(jié)理和裂隙分割成大小不等、形態(tài)各異的巖塊，這些巖塊以鑲嵌的方式排列，通過(guò)各種作用力結(jié)合在一起，呈現(xiàn)出一種基本的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)巖體受到外力作用的情況下，不僅會(huì)造成巖體自身的應(yīng)力和位移變化，同時(shí)巖體內(nèi)部各個(gè)塊體之間的位置以及相互作用也會(huì)產(chǎn)生改變[4]。由于該方法將巖體視為若干小塊體組成的整體，因此在對(duì)巖體的滑移或旋轉(zhuǎn)進(jìn)行模擬方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，可以大幅提升模擬精度，進(jìn)而分析巖體工程破壞過(guò)程[5]。3DEC是一款以離散單元法為基礎(chǔ)的巖土工程軟件，因此十分適合節(jié)理巖體等內(nèi)部存在不連續(xù)面的變形與破壞機(jī)理研究，在處理這類巖體在外部荷載作用下的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[6]。

2.2 3DEC離散元計(jì)算模型的構(gòu)建

模型以順河向指向下游方向?yàn)閆軸正方向，以垂直于Z軸指向右岸的方向?yàn)閄軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閅軸正方向?？紤]模型的邊界效應(yīng)，X方向長(zhǎng)200 m，Y方向長(zhǎng)100 m，Z方向長(zhǎng)50 m。模型采用正六面體八節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分，其中圍巖和廠房部分模型的網(wǎng)格設(shè)置為3.0 m，危石部分網(wǎng)格為2.0 m。整個(gè)模型共劃分為687 940個(gè)計(jì)算單元，754 938個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。模型的網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。在模型計(jì)算過(guò)程中，將模型的上表面設(shè)置為自由邊界條件，不施加任何約束，對(duì)模型的四周按照實(shí)際情況設(shè)置為法向位移約束，鑒于模型底部基巖十分穩(wěn)定，因此對(duì)底面設(shè)置各向位移約束[7]。地下廠房的開(kāi)挖方式為全斷面開(kāi)挖，開(kāi)挖的循環(huán)進(jìn)尺設(shè)定為1.0 m。

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分示意圖

3 各失穩(wěn)模式下的加固機(jī)制模擬研究

3.1 單面滑移失穩(wěn)性危石加固機(jī)制

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)論，拉伸、拉剪和壓剪破壞是單面滑移失穩(wěn)性危石加固中錨桿的主要破壞形式[8]。研究中設(shè)置開(kāi)挖無(wú)支護(hù)(工況1)、設(shè)置3根受拉錨桿(工況2)以及設(shè)置3根受壓剪錨桿(工況3)三種不同的加固工況進(jìn)行模擬計(jì)算。不同工況下的危石總位移以及X向和Y向位移曲線如圖2～圖4所示。由圖2可知，在沒(méi)有采取支護(hù)措施的情況下，在完全揭露前，危石各個(gè)頂點(diǎn)的位移呈為緩慢增長(zhǎng)特征。在整體開(kāi)挖14步之后，位移量呈現(xiàn)出急劇增加的態(tài)勢(shì)，在第17步時(shí)，位移量已經(jīng)達(dá)到0.1 m。同時(shí)，各頂點(diǎn)的位移量和方向基本一致，沒(méi)有發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。由圖3可知，在第13步和第14步分別設(shè)置2根和1根受拉錨桿。受到錨桿的作用，位移呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，直至開(kāi)挖施工完畢，危石的最大位移量為5.6 mm。由圖4可知，在第13步和第14步分別設(shè)置2根和1根 壓剪錨桿。受到錨桿的作用，位移呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，直至開(kāi)挖施工完畢，危石的最大位移量為5.2 mm，其錨固效果和工況2基本相同。

總之，對(duì)單面滑移失穩(wěn)性危石加固，設(shè)置受拉錨桿或壓剪錨桿進(jìn)行支護(hù)，可以起到基本相似的錨固效果。因此，設(shè)置受拉或壓剪錨桿均可。

圖3 工況2危石位移曲線

圖4 工況3危石位移曲線

3.2 雙面滑移型危石加固機(jī)制

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)論，拉伸、拉剪和壓剪破壞也是雙面滑移失穩(wěn)性危石加固中錨桿的主要破壞形式。研究中設(shè)置開(kāi)挖無(wú)支護(hù)(工況4)、設(shè)置2根受拉錨桿(工況5)、設(shè)置兩根受拉剪錨桿(工況6)以及設(shè)置2根受壓剪錨桿(工況7)四種不同的加固工況進(jìn)行模擬計(jì)算。不同工況下的危石總位移以及X向和Y向位移曲線如圖5～圖8所示。由圖5可知，在沒(méi)有采取支護(hù)措施的情況下，危石所有頂點(diǎn)的位移變化基本一致，在16步之前，由于沒(méi)有完全揭露前，危石各個(gè)頂點(diǎn)的位移呈為緩慢增長(zhǎng)特征。之后，位移量呈現(xiàn)出急劇增長(zhǎng)的特點(diǎn)，達(dá)到1.2 mm，然后位移變化稍微穩(wěn)定，之后又迅猛增長(zhǎng)。此外，危石的各頂點(diǎn)的位移量和方向基本一致，沒(méi)有發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。由圖6可知，在第13步設(shè)置2根受拉錨桿。受到錨桿的作用，位移呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，直至開(kāi)挖施工完畢，危石的最大位移量為5.7 mm。從各頂點(diǎn)位移來(lái)看，結(jié)構(gòu)面中線臨空點(diǎn)的累積位移量最大，沿邊位移相對(duì)較小，局部發(fā)生微小的拉伸變形。由圖7可知，在第13步設(shè)置2根拉剪錨桿。受到錨桿的作用，位移呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，直至開(kāi)挖施工完畢，危石的最大位移量為5.5 mm。從各頂點(diǎn)位移來(lái)看，呈現(xiàn)出與工況5類似的特點(diǎn)，說(shuō)明錨固效果與工況5類似。由圖8可知，在第13步設(shè)置2根壓剪錨桿。受到錨桿的作用，位移呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，直至開(kāi)挖施工完畢，危石的最大位移量為6.1 mm。

圖5 工況4危石位移曲線

圖6 工況5危石位移曲線

圖7 工況6危石位移曲線

圖8 工況7危石位移曲線

3.3 危石錨固優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)上節(jié)的模型計(jì)算結(jié)果分析可知，對(duì)單面滑移型危石，采用受拉或受壓剪作用錨桿，錨固效果基本相同，對(duì)雙面滑移型危石，受拉或受拉剪作用錨桿能夠獲得更好地錨固效果。因此，在具體地下廠房洞室施工過(guò)程中，應(yīng)該利用先進(jìn)的地質(zhì)勘測(cè)手段，確定危石的位置、形態(tài)、主結(jié)構(gòu)面等相關(guān)信息，進(jìn)而確定其失穩(wěn)類型。然后結(jié)合本文的計(jì)算成果，采取不同的錨固措施。

對(duì)于單面滑落型危石，如果施工條件允許，可以設(shè)置與危石失穩(wěn)方向垂直的受拉或壓剪錨桿。結(jié)合相關(guān)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如果采用壓剪錨桿，在錨桿數(shù)量相同的條件下，采用垂直于切向力，多排大間距布設(shè)可以獲得更好的抗剪效果，錨固的角度建議在55°～75°之間，具體角度結(jié)合危巖的實(shí)際情況確定。

對(duì)于雙面滑動(dòng)型危石，如果工程條件允許，可以設(shè)置與危巖失穩(wěn)方向垂直的受拉或受拉剪錨桿。

4 結(jié) 語(yǔ)

研究中通過(guò)建立典型洞室圍巖危石模型，通過(guò)數(shù)值模擬的方式，對(duì)危石的不同錨固方式進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果顯示，如果施工條件允許，單面滑落型危石可以設(shè)置與危石失穩(wěn)方向垂直的受拉或壓剪錨桿；雙面滑動(dòng)型危石可以設(shè)置與危巖失穩(wěn)方向垂直的受拉或受拉剪錨桿。根據(jù)本次研究獲得的危石錨固方案優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，可以為勝利水電站危石錨固方面提供有效的理論依據(jù)以及錨固施工的具體工程建議，對(duì)相關(guān)類似工程的施工設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒價(jià)值。