陽江抽水蓄能電站地下廠房區(qū)地應(yīng)力場特征分析

劉普勝，李俊清，張琪琦

(1. 廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510635；2. 南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510360)

工程實(shí)踐表明，地應(yīng)力是巖體工程設(shè)計和施工的重要基礎(chǔ)資料之一，也是各種開挖地下工程變形和破壞的根本作用力。準(zhǔn)確識別地應(yīng)力場分布特征是進(jìn)行巖體工程穩(wěn)定性評價、實(shí)現(xiàn)地下工程順利建設(shè)、安全運(yùn)營以及決策科學(xué)化的前提。工程區(qū)域地應(yīng)力可由水壓致裂法、應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法及聲發(fā)射等直接方法測得[1-2]，但是采用上述方法獲得的地應(yīng)力成果往往反映的是局部地應(yīng)力場特征，且具有一定的離散性[3]。為此，基于實(shí)測地應(yīng)力成果，采用有效的分析方法對工程區(qū)巖體進(jìn)行初始應(yīng)力場反演已成為獲取較為合理的、范圍更大的地應(yīng)力場主要手段。姚顯春等根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果與緊隨開挖過程的圍巖變形監(jiān)測資料進(jìn)行系統(tǒng)反演分析，獲得了拉西瓦水電站廠房區(qū)域三維地應(yīng)力場分布特征[4]。張新輝等采用基于三維有限元模擬的多元回歸分析方法，對地應(yīng)力實(shí)測資料進(jìn)行了回歸擬合，獲得了卡里巴水電站地下廠房工程區(qū)應(yīng)力場的分布規(guī)律[5]。黃書嶺等提出了大型地下廠房區(qū)域地應(yīng)力場多源信息融合分析方法和思路，并將其應(yīng)用于官地水電站地下廠房區(qū)域的地應(yīng)力場特征及其分布規(guī)律的分析中[6]。何少云等基于地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果，采用多元線性回歸方法和三維有限差分法，對文登抽水蓄能電站地下廠房區(qū)域的初始地應(yīng)力場進(jìn)行了反演分析，獲得了工程區(qū)域的地應(yīng)力場分布特征[7]。

陽江抽水蓄能電站位于廣東省西部的陽江市，為Ⅰ等大(1)型工程，地下廠房洞室群的開挖規(guī)模大，地下廠房開挖后邊墻及交叉部位的應(yīng)力集中及圍巖穩(wěn)定性問題突出。本文將陽江抽水蓄能電站地下廠房初始應(yīng)力場量化模型與地下廠房洞室群精細(xì)計算模型耦合成一個模型，構(gòu)建了地下廠房地應(yīng)力場精細(xì)計算量化模型，并依據(jù)陽江抽水蓄能電站地應(yīng)力實(shí)測成果，采用側(cè)壓系數(shù)法進(jìn)行三維數(shù)值仿真計算，獲得了陽江抽水蓄能電站地下廠房區(qū)域初始地應(yīng)力場特征及地下廠房洞室群開挖后的圍巖應(yīng)力場分布規(guī)律。目前，我國抽水蓄能電站建設(shè)已進(jìn)入全面發(fā)力階段，以滿足我國的電力需求[8]。研究蓄能電站深埋的地下廠房區(qū)域地應(yīng)力場特征對全面推進(jìn)抽水蓄能電站建設(shè)具有重要意義。

1 地下廠房洞室群工程概況

陽江抽水蓄能電站總裝機(jī)規(guī)模2400MW，采用近、遠(yuǎn)兩期建設(shè)，近遠(yuǎn)兩期裝機(jī)規(guī)模均為1200MW。陽江抽水蓄能電站發(fā)電系統(tǒng)的地下廠房洞室群主要包括主副廠房、主變洞、母線洞、尾水閘門廊道、尾閘運(yùn)輸洞、高壓電纜洞、交通洞、進(jìn)風(fēng)豎井、排風(fēng)豎井、排水廊道以及地面開關(guān)站。主機(jī)間的尺寸為88.5m×27.5m×60.2m(長×寬×高)，安裝場的尺寸為44m×27.5m×26.95m(長×寬×高)，副廠房的的尺寸為24m×27.5m×50.9m(長×寬×高)。

2 工程區(qū)三維地質(zhì)概化模型

依據(jù)地質(zhì)勘察資料和洞室施工開挖步序，建立了三維地質(zhì)概化模型，計算模型范圍為460m×480m×700m(X×Y×Z)，其中x軸平行于主廠房軸線，從2#機(jī)組中心點(diǎn)指向1#機(jī)組中心點(diǎn)方向?yàn)檎?；y軸平行于水流方向，且指向下游方向?yàn)檎?；z軸鉛直向上，底部高程為-200m(服從右手法則)。計算區(qū)域包含了引水洞、主廠房、副廠房、安裝間、母線洞、主變室、尾水洞、尾閘室、風(fēng)機(jī)室、交通洞、3#施工支洞、6#施工支洞、高壓電纜洞、尾閘室運(yùn)輸洞以及穿越地下洞室群的2條主要斷層f710、f711。模型內(nèi)各巖層均采用實(shí)體單元模擬。計算模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示，地下廠房洞室群與f710、f711斷層的關(guān)系如圖2所示，共劃分單元634218個，節(jié)點(diǎn)106614個。

3 初始計算條件

3.1 巖體本構(gòu)模型及力學(xué)參數(shù)

計算中本構(gòu)模型采用以帶拉伸截止限的MohrCoulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則為屈服函數(shù)的理想彈塑性模型。計算參數(shù)見表1，取表1中各巖層和斷層的物理力學(xué)參數(shù)建議值的中值。

圖1 地下廠房洞室群三維數(shù)值分析模型

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

圖2 地下廠房洞室群與斷層f710、f711的空間關(guān)系

3.2 地下廠房分層開挖方案

陽江抽水蓄能電站地下廠房洞室群開挖遵循“先洞后墻”的開挖原則，兩大洞室頂拱開挖總體按廠房頂拱先開挖，主變洞頂拱滯后跟進(jìn)開挖的程序進(jìn)行，如圖3所示。

圖3 地下廠房分層開挖方案示意圖

3.3 洞室群支護(hù)措施與支護(hù)參數(shù)

洞室群支護(hù)措施和支護(hù)參數(shù)見表2，三維數(shù)值計算分析時，支護(hù)系統(tǒng)的錨(索)桿采用快速拉格朗日數(shù)值計算程序中提供的結(jié)構(gòu)單元cable單元來模擬。

表2 地下廠房洞室群基本支護(hù)參數(shù)

4 初始地應(yīng)力場分析

為研究陽江抽水蓄能電站工程區(qū)的地應(yīng)力場，2005年8月—2006年7月，長江科學(xué)院、中國地震局地殼應(yīng)力所先后在中平洞、地下廠房、高壓岔管等部位的多個鉆孔進(jìn)行了深孔套芯應(yīng)力解除法和水壓致裂法地應(yīng)力測試[10-11]。李永松等[12]根據(jù)工程勘察初期的地應(yīng)力實(shí)測資料，結(jié)合該工程的地形地貌及地質(zhì)資料進(jìn)行了工程區(qū)三維地應(yīng)力回歸分析，獲得了計算域內(nèi)的地應(yīng)力場，并就最新工程布置的關(guān)鍵位置進(jìn)行了應(yīng)力插值計算。地下廠房各插值點(diǎn)的插值結(jié)果見表3。由表3插值結(jié)果可知，地下廠房區(qū)巖體最大水平主應(yīng)力為13.5～14.8MPa，最小水平主應(yīng)力為9.1～10.0MPa，鉛直應(yīng)力為12.2～14.6MPa，應(yīng)力場主要呈σH≈σz>σh特征。地下廠房區(qū)巖體最大水平主應(yīng)力方位為300°左右，與設(shè)計方案中的廠房軸線(N60OE)的夾角較大(60°)。

根據(jù)地下廠房插值結(jié)果，采用側(cè)壓系數(shù)法進(jìn)行三維數(shù)值計算以獲得地下廠房區(qū)域初始地應(yīng)力場特征。分析計算時，側(cè)壓系數(shù)組合為：λx=0.80，λy=0.97，λxy=-0.15，λyz=-0.19，λxz=-0.08。計算獲得的典型剖面主應(yīng)力矢量及等值線分布如圖4—6所示。數(shù)值計算結(jié)果表明，地下廠房區(qū)域最大主應(yīng)力一般為13～16MPa，最大主應(yīng)力水平方位為一般為300°，最小主應(yīng)力一般為8～10MPa，屬于中等地應(yīng)力水平。

圖4 地下廠房沿主廠房縱軸線切面主應(yīng)力矢量分布

表3 廠房區(qū)域地應(yīng)力測點(diǎn)轉(zhuǎn)換應(yīng)力分量 單位：MPa

圖5 地下廠房順?biāo)鞣较蚯忻嬷鲬?yīng)力矢量分布

5 地下廠房洞室群開挖后圍巖應(yīng)力場分析

結(jié)合上述獲得的初始地應(yīng)力場、洞室群支護(hù)措施及相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)等計算條件，運(yùn)用快速拉格朗日方法(FLAC3D)對地下廠房進(jìn)行開挖全過程三維彈塑性數(shù)值仿真分析，以獲得地下廠房洞室群開挖后的圍巖應(yīng)力場分布特征。計算中考慮了兩種方案：①推薦開挖方案下毛洞分層分期開挖計算；②系統(tǒng)錨桿方案下的分層分期開挖計算。

圖6 地下廠房水平切面主應(yīng)力矢量分布

兩種不同方案下的地下廠房洞室群典型斷面最大、最小主應(yīng)力等值線分布分別如圖7—8所示。地下廠房洞室群整體開挖完成后，受下臥卸荷作用，應(yīng)力場不斷調(diào)整。對于主廠房，方案①和方案②的最大主應(yīng)力量值分別為-41.8MPa和-42.1MPa，應(yīng)力集中區(qū)主要分布在下游側(cè)拱座、機(jī)窩與尾水洞交叉口、機(jī)窩隔墩部位，應(yīng)力松弛區(qū)主要分布在上、下游邊墻部位，方案①和方案②最大拉應(yīng)力值分別為1.69MPa和1.53MPa。對于主變洞，方案①和方案②的最大主應(yīng)力量值分別為44.8MPa和46.5MPa，應(yīng)力集中區(qū)主要分布在下游側(cè)拱肩、墻角部位，應(yīng)力松弛區(qū)主要分布在底板及上游邊墻部位、主變洞與母線洞交叉部位，方案①和方案②最大拉應(yīng)力值分別為1.58MPa、1.23MPa。對于尾閘室，方案①和方案②的最大主應(yīng)力量值分別為25.6MPa和25.8MPa，應(yīng)力松弛區(qū)主要分布在上下游邊墻部位，基本沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。

圖7 方案①地下廠房區(qū)域典型剖面洞周主應(yīng)力分布圖

圖8 方案②地下廠房區(qū)域典型剖面洞周主應(yīng)力分布圖

對于硬巖而言，在當(dāng)前層開挖之后、支護(hù)措施施加之前的這段時間內(nèi)，圍巖應(yīng)力場的調(diào)整基本上已經(jīng)完成了，因此，方案②對洞周應(yīng)力分布影響有限；當(dāng)前層支護(hù)系統(tǒng)的施加，對當(dāng)前層淺表部位的應(yīng)力狀態(tài)有一定的改善，具體表現(xiàn)為考慮支護(hù)措施后，圍巖最大拉應(yīng)力值有所降低；此外，隨著錨桿等支護(hù)的施加，圍巖開挖所釋放的能量相對減小，使得應(yīng)力集中程度有所增加，但增加幅度較小。

6 結(jié)語

采用側(cè)壓系數(shù)法進(jìn)行三維數(shù)值仿真分析計算表明，陽江抽水蓄能電站地下廠房區(qū)域初始地應(yīng)力場特征及地下廠房洞室群開挖后的圍巖應(yīng)力場分布規(guī)律如下：

(1)地下廠房區(qū)域初始地應(yīng)力場主要呈σH≈σz>σh特征，最大主應(yīng)力一般為13～16MPa，最大主應(yīng)力水平方位為一般為300°，最小主應(yīng)力一般為8～10MPa，屬于中等地應(yīng)力水平。

(2)洞室群開挖完成后，應(yīng)力集中區(qū)主要分布在主廠房的下游拱肩(拱座)、機(jī)窩與尾水洞的交叉口、機(jī)窩隔墩等部位。毛洞方案下主廠房主壓應(yīng)力一般為2～25MPa，最大主壓應(yīng)力41.8MPa；拉應(yīng)力區(qū)主要分布在上、下游邊墻部位，最大拉應(yīng)力1.69MPa。采取支護(hù)措施后，圍巖淺表部位的應(yīng)力狀態(tài)有一定的改善，具體表現(xiàn)為圍巖最大拉應(yīng)力值有所降低；洞室圍巖主應(yīng)力值有所增加，主要是由于隨著錨桿等支護(hù)的施加，圍巖開挖所釋放的能量相對減小，使得應(yīng)力集中程度有所增加。

本文研究方法和相關(guān)成果可為同類工程提供借鑒，后期可根據(jù)實(shí)際開挖和支護(hù)情況獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋修正。