溧陽抽水蓄能電站CZ0+143.125監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)異常情況數(shù)值分析研究

楊佳琦，胡林江

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410014；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

1 溧陽抽水蓄能電站CZ0+143.125監(jiān)測斷面異常情況介紹

圖1 主廠房邊墻圍巖變形過程線

2 原因初步分析

初步分析主廠房CZ0+143.125斷面下游邊墻位移異常的原因主要如下：

(1)開挖卸荷效應(yīng)引起的巖體損傷，主廠房下游邊墻內(nèi)部圍巖受母線洞、主變洞開挖擾動影響，又存在高邊墻效應(yīng)，應(yīng)力卸荷更多，巖體損傷更大，因此圍巖位移偏大。

(2)根據(jù)地勘資料，在主廠房下游邊墻內(nèi)部存在局部斷層F199，在開挖卸荷作用下，可能會發(fā)生脫開、滑移等現(xiàn)象，從而引起圍巖位移的異常偏大。

(3)破碎巖體受開挖爆破影響大，反復(fù)擾動引起多次應(yīng)力調(diào)整，加劇圍巖變形。

3 數(shù)值分析研究

開挖巖體的卸荷損傷采用巖體的物理力學(xué)參數(shù)劣化來模擬，利用FLAC3D中內(nèi)置的FISH語言可以實現(xiàn)此過程；在FLAC3D中可將局部斷層看作是有無厚度的界面，用interface單元進(jìn)行模擬，它能夠模擬兩種或多種材料界面不同材料性質(zhì)的間斷特性，界面允許發(fā)生滑動、分離或閉合[4]。

3.1 計算模型和條件

計算建立了6號機(jī)組段內(nèi)的三維數(shù)值模擬模型，計算網(wǎng)格包括主廠房、主變洞、母線洞、排水廊道、引水洞和尾水洞。其中，在FLAC3D中采用接觸面interface來模擬F199局部斷層，由于FLAC3D接觸面可以滑動、脫離，因此可以用它來模擬開挖后局部斷層由于卸荷而張開，導(dǎo)致斷層所在圍巖區(qū)域的變形顯著增大的過程。

6號機(jī)組段整體模型圍巖分類見圖2，系統(tǒng)錨桿錨索支護(hù)形式見圖3。其中，巖體材料參數(shù)取值依據(jù)資料給出的巖體物理力學(xué)設(shè)計參數(shù)見表1，并取其下限值作為計算中巖體參數(shù)的初始值[5]。

圖2 6號機(jī)組段圍巖分類模型

圖3 系統(tǒng)錨桿錨索支護(hù)形式

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖4 初始應(yīng)力場主應(yīng)力

圖5 第2期開挖后圍巖主應(yīng)力

根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料，建立精細(xì)的地質(zhì)模型。根據(jù)實測地應(yīng)力點的實測值和山體地形進(jìn)行分期開挖反演模擬后得出現(xiàn)有初始應(yīng)力場。

3.2 數(shù)值分析成果

數(shù)值模擬開挖分期與實際工程中的開挖分期對照見表2。

表2 數(shù)值模擬與實際開挖分期對照

3.2.1圍巖應(yīng)力變化分析

分期開挖支護(hù)過程中主廠房CZ0+143.125斷面圍巖應(yīng)力的變化情況如圖4～7所示。

圖6 第3期開挖后圍巖主應(yīng)力

圖7 第4期開挖后圍巖主應(yīng)力

由于在FLAC3D中采用材料力學(xué)的計數(shù)方式，即拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，所以在FLAC3D應(yīng)力顯示云圖中Smin表示第一主應(yīng)力，Smax表示第三主應(yīng)力。

從圖4～7可以看出，隨著分期開挖錨固支護(hù)的進(jìn)行，主廠房CZ0+143.125斷面圍巖第一主應(yīng)力的變化情況如下：

(1)在主廠房上游邊墻的圍巖內(nèi)部和主變洞下游邊墻的圍巖內(nèi)部出現(xiàn)了顯著的第一主應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著開挖過程的進(jìn)行，圍巖應(yīng)力集中區(qū)有所調(diào)整，在母線洞未開挖之前，應(yīng)力集中區(qū)基本分別對稱于主廠房和主變洞洞軸線分布，其中主變洞上游邊墻的圍巖內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象比較顯著；在母線洞開挖之后，顯著的應(yīng)力集中區(qū)調(diào)整分布到了主廠房上游邊墻的圍巖內(nèi)部和主變洞下游邊墻的圍巖內(nèi)部。

(2)越靠近開挖臨空面，圍巖第一主應(yīng)力越小，卸荷量越大，開挖卸荷效應(yīng)越明顯；越遠(yuǎn)離開挖臨空面，圍巖第一主應(yīng)力調(diào)整越少，開挖卸荷效應(yīng)越不明顯；開挖卸荷區(qū)是圍繞開挖臨空面分布的，但受初始地應(yīng)力分布不均及洞室群開挖相互影響，卸荷區(qū)的形狀與洞室形狀不總一致。

從圖4～7還可以看出，隨著開挖的進(jìn)行，主廠房CZ0+143.125斷面圍巖第三主應(yīng)力的變化情況如下：

(1)隨著開挖過程的進(jìn)行，在開挖臨空面洞周周圍出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)，并且拉應(yīng)力逐漸增大。在母線洞未開挖之前，拉應(yīng)力區(qū)基本分別對稱于主廠房和主變洞洞軸線分布，其中洞室的頂部和底部拉應(yīng)力區(qū)范圍比較大；在母線洞開挖之后，主廠房洞周圍巖拉應(yīng)力區(qū)向下游偏移，主變洞洞周圍巖拉應(yīng)力區(qū)向上游偏移，并且在母線洞的洞周圍巖出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)；之后隨著主廠房洞室下層圍巖的開挖，主廠房洞室邊墻高度不斷增大，又由于受主廠房下游邊墻圍巖內(nèi)部存在局部斷層F199的影響，使得主廠房下游邊墻臨空面附近的圍巖拉應(yīng)力區(qū)迅速增大。

(2)隨著開挖過程的進(jìn)行，在圍巖內(nèi)部出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)，但相較于原初始地應(yīng)力場，應(yīng)力場量值已經(jīng)有所降低，并且隨著開挖過程的進(jìn)行，洞周圍巖內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減弱。

3.2.2考慮開挖卸荷損傷時的巖體參數(shù)劣化情況

根據(jù)計算結(jié)果可得出以下結(jié)論：

(1)在洞室開挖后，洞周圍巖的彈性模量、粘聚力、摩擦角出現(xiàn)了不同程度的降低，靠近開挖臨空面的彈性模量降低較多，遠(yuǎn)離開挖臨空面的彈性模量降低較少。隨著開挖過程的進(jìn)行，由于開挖卸荷導(dǎo)致巖體損傷，洞周圍巖的彈性模量、粘聚力、摩擦角持續(xù)降低，達(dá)到一定的閾值后趨于穩(wěn)定。

(2)在洞室開挖后，洞周圍巖的泊松比出現(xiàn)了不同程度的增加，靠近開挖臨空面的泊松比增加較多，遠(yuǎn)離開挖臨空面的泊松比增加較少。隨著開挖過程的進(jìn)行，由于開挖卸荷導(dǎo)致巖體損傷，洞周圍巖的泊松比持續(xù)增加，達(dá)到一定的閾值后趨于穩(wěn)定。

(3)圍巖損傷區(qū)不斷增大，尤其是在母線洞開挖后，再開挖主廠房下層巖體的時候，由于主廠房洞室邊墻高度不斷增大和主廠房下游邊墻圍巖內(nèi)部存在局部斷層F199的影響，使得主廠房下游邊墻臨空面附近的圍巖損傷區(qū)迅速增大。

(4)對比圍巖損傷區(qū)和開挖卸荷區(qū)的分布范圍可以發(fā)現(xiàn)，圍巖損傷區(qū)與開挖卸荷區(qū)的分布范圍基本一致，但是圍巖損傷區(qū)比開挖卸荷區(qū)的范圍要小，這是因為圍巖損傷并不是在一開始開挖卸荷就發(fā)生的，而是當(dāng)開挖卸荷量達(dá)到某個閾值的時候才會發(fā)生圍巖損傷；之后隨著卸荷量的增加，圍巖損傷也逐漸加劇；當(dāng)卸荷量達(dá)到某個閾值后，圍巖損傷達(dá)到極值，巖體參數(shù)不再裂化。

3.2.3位移分析

根據(jù)位移變化計算結(jié)果可得出以下結(jié)論：

(1)在洞室開挖后，洞周圍巖朝向洞內(nèi)變形。主廠房拱頂朝下變形，其位移量值不是很大；主廠房上游邊墻朝下游變形，其位移量值最?。恢鲝S房下游邊墻朝上游變形，其位移量值最大。由于主廠房、母線洞、主變洞洞室開挖的相互影響作用，導(dǎo)致母線洞頂部主廠房下游邊墻至主變洞上游邊墻圍巖的位移量值都比較大。

(2)隨著分期開挖支護(hù)的進(jìn)行，洞周位移不斷增加，其中位移最大值出現(xiàn)在主廠房下游邊墻中上部處。主廠房上游邊墻位移與高程有關(guān)，高程越高，開挖分期越早，其位移量值越大，但由于上游邊墻開挖擾動較少，總體來說位移量值很??；主廠房下游邊墻位移增長很快，其量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于洞室其他部位的位移量值。

(3)主廠房下游邊墻中上部圍巖位移量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主廠房上游邊墻圍巖位移的原因主要有兩個。一是開挖卸荷作用引起的巖體損傷，從而引起了巖體參數(shù)的劣化，又由于主廠房下游邊墻中上部受洞室開挖相互作用的影響比較大，因此開挖卸荷作用尤為嚴(yán)重，巖體參數(shù)的劣化更?。欢歉鶕?jù)地勘資料，主廠房下游邊墻中上部圍巖內(nèi)部存在著局部斷層，本次模擬時在FLAC3D中采用interface接觸面來模擬局部斷層，從而模擬由于開挖卸荷以后斷層的張開引起了主廠房下游邊墻中上部圍巖位移的急劇增加。

為了驗證數(shù)值模擬的正確性，在數(shù)值模擬的時候設(shè)置與實際工程位置相同的監(jiān)測點，來監(jiān)測主廠房上游和下游圍巖內(nèi)部的位移，與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)互相驗證，對比結(jié)果見表3、4。

從表3可以看出，隨著分期開挖錨固支護(hù)的進(jìn)行，主廠房CZ0+143.125斷面上游邊墻數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)的位移值的變化情況如下：隨著分期開挖支護(hù)的進(jìn)行，主廠房上游邊墻各測點的位移值在不斷增加，但是位移增幅不大；在主廠房開挖完成后，主廠房上游邊墻的位移值量值較小，處于10～15 mm之間，說明主廠房上游邊墻開挖擾動較少，圍巖卸荷損傷較少，圍巖完整性較好，因此位移量值較??；測點1位于臨空面，其位移值最大，測點4距臨空面11.5 m，其位移值最小。

表3 CZ0+143.125斷面主廠房上游邊墻測點監(jiān)測位移值與數(shù)值模擬位移值對比

從表4可知，隨著分期開挖錨固支護(hù)的進(jìn)行，主廠房CZ0+143.125斷面下游邊墻數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)的位移值的變化情況如下：隨著分期開挖支護(hù)的進(jìn)行，主廠房下游邊墻各測點的位移值在不斷增加，并且位移增幅較大，距離開挖臨空面越近，位移增幅越大；在主廠房開挖完成后，主廠房下游邊墻的位移值量值較大，并且隨測點深度增加，位移變化幅度較大，說明由于洞室群開挖的互相影響，主廠房下游邊墻開挖擾動較大，圍巖卸荷損傷較大，又由于距下游邊墻臨空面5 m左右的位置存在局部斷層，圍巖完整性較差，故下游邊墻圍巖整體位移量值較大；測點1位于臨空面，其位移值最大，約為95～100 mm，測點4距臨空面11.5 m，其位移值最小，約為45～50 mm。

表4 CZ0+143.125斷面主廠房下游邊墻測點監(jiān)測位移值與數(shù)值模擬位移值對比

綜上，分別比較同一測點上數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)位移值的變化情況可知，數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)的位移值變化趨勢一致，并且除了前期開挖數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)位移值離散性較大之外(主要是由于數(shù)值模擬需要達(dá)到平衡狀態(tài)才能進(jìn)行下一期的計算，并且數(shù)值模擬測點的監(jiān)測是以均勻的步數(shù)監(jiān)測，因此無法做到與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)非常對應(yīng))，數(shù)值很接近，說明數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠互相印證，在FLAC3D中采用開挖卸荷損傷理論和interface接觸面模擬斷層來模擬地下洞室開挖支護(hù)的結(jié)果是可信的。

3.2.4系統(tǒng)錨桿錨索支護(hù)應(yīng)力分析

從地下洞室群系統(tǒng)錨桿錨索支護(hù)應(yīng)力的變化情況可知：洞室群錨固支護(hù)運行良好，錨桿錨索支護(hù)在洞室群的圍巖穩(wěn)定方面發(fā)揮了較大作用，隨著運行時間增加其作用越明顯。局部處的錨桿應(yīng)力較大，但整體來看，在現(xiàn)行的支護(hù)條件下基本可以保證洞室的圍巖穩(wěn)定[6]。

4 結(jié) 論

(2)由于在主廠房下游邊墻圍巖內(nèi)部存在局部斷層，在FLAC3D中采用interface接觸面模擬斷層后發(fā)現(xiàn)，在開挖卸荷后局部斷層張開，圍巖物理力學(xué)參數(shù)劣化加劇，從而使得圍巖位移異常偏大。但通過反演分析可知，錨固支護(hù)參數(shù)基本合理，當(dāng)前支護(hù)條件下，洞室圍巖整體穩(wěn)定基本可以得到保證。

(3)對比分析主廠房CZ0+143.125斷面上下游邊墻數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)的位移值的變化情況可知：數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)的位移值變化趨勢一致，并且數(shù)值總體較接近，說明數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠互相印證，在FLAC3D中采用開挖卸荷損傷理論和interface接觸面模擬斷層來模擬地下洞室開挖支護(hù)的結(jié)果是可信的。