豐寧抽水蓄能電站地下廠房圍巖穩(wěn)定性分析

張恩寶 孔張宇 王蘭普 張順利 呂風(fēng)英

摘要： 針對豐寧抽水蓄能電站，依據(jù)工程布置和施工期實際揭露地質(zhì)條件建立了大型三維數(shù)值模型。利用圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用GA+BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和離散元軟件3DEC，對地下廠房洞室群的圍巖力學(xué)參數(shù)進行了反演分析。運用反演得到的相對最優(yōu)力學(xué)參數(shù)分析了洞室群圍巖穩(wěn)定狀況和支護受力特性。結(jié)果表明：洞室圍巖整體穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)安全性是有保證的，但蝕變帶影響區(qū)變位量值較大，淺表層局部塊體穩(wěn)定問題相對突出，應(yīng)加強開挖過程控制和監(jiān)測，制定好針對性的加強支護預(yù)案。該穩(wěn)定分析方法可為類似地下洞室工程的開挖支護提供有益參考。

關(guān) 鍵 詞：? 地下廠房; 圍巖穩(wěn)定; 3DEC; 正交試驗設(shè)計; 力學(xué)參數(shù)反演; 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò); 遺傳算法; 豐寧抽水蓄能電站

中圖法分類號： ?TV743

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.023

0 引 言

大型地下廠房一般具有大埋深、大跨度、高邊墻、群效應(yīng)明顯等特點[1-2]，其賦存環(huán)境和施工過程存在大量不確定因素，加上節(jié)理裂隙、斷層及其破碎帶等不良地質(zhì)現(xiàn)象存在，洞室群的穩(wěn)定性研究已然成為水電建設(shè)中最為關(guān)鍵的工程技術(shù)問題之一[3]。鑒于每個地下工程均具有自身的特殊性，針對不同工程地質(zhì)特點，采用合適的數(shù)值方法和合理地確定巖體物理力學(xué)參數(shù)是洞室群穩(wěn)定研究的前提和關(guān)鍵[4]。

3DEC為美國ITASCA公司開發(fā)的基于離散模型顯式單元法的三維離散元數(shù)值程序，適合于多塊系統(tǒng)運動和大變形模擬計算，其突出特點是能逼真地描述巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)行為，被廣泛應(yīng)用于研究結(jié)構(gòu)面控制問題。3DEC對連續(xù)體的求解方式與FLAC3D相同，且提供了忽略結(jié)構(gòu)面的求解功能。因此3DEC適用范圍更廣泛，無論是結(jié)構(gòu)面控制型工程，還是結(jié)構(gòu)面-應(yīng)力復(fù)合控制型工程，甚至是典型的地應(yīng)力控制型工程，3DEC都能給出合理的解答。3DEC被廣泛用于地下工程挖掘和巖石地基工程中節(jié)理巖體、斷層、層理等結(jié)構(gòu)影響的模擬估算，是研究由于存在不連續(xù)而引起潛在失穩(wěn)的理想方法。因此3DEC非常適用于節(jié)理裂隙發(fā)育的地下洞室穩(wěn)定分析[5]。

豐寧抽蓄電站地下廠房花崗巖體中存在有蝕變帶，開挖揭示洞周節(jié)理裂隙發(fā)育。本文通過系統(tǒng)地梳理分析洞室群地質(zhì)條件，依據(jù)多點位移計監(jiān)測成果，采用3DEC和GA+BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，對洞室群的圍巖力學(xué)參數(shù)進行了反演分析，評價了節(jié)理裂隙發(fā)育條件下洞室群圍巖的整體穩(wěn)定性及支護結(jié)構(gòu)的合理性，可為類似地質(zhì)條件下大型地下廠房穩(wěn)定性評價提供參考[6-7]。

1 工程概況

河北省豐寧抽蓄電站總裝機容量3 600 MW（12×300 MW），建成后將為世界最大抽水蓄能電站。工程規(guī)模為Ⅰ等大（1）型，主要永久建筑物為1級建筑物，次要永久建筑物為3級建筑物，分一、二期工程，兩期同期建設(shè)。廠區(qū)建筑物主要由主廠房、主變洞、母線洞、交通電纜洞、排風(fēng)系統(tǒng)、出線系統(tǒng)、通風(fēng)洞、排水廊道及其他附屬洞室等組成，主副廠房呈“一”字形布置，地下廠房開挖尺寸414.00 m×25.00 m×55.00 m（長×寬×高）;主變洞開挖尺寸450.50 m×21.00 m×24.50 m（長×寬×高）。地下廠房規(guī)模大，不同斷面和不同功能的洞室在空間上互相交錯，形成了龐大的地下洞室群。

地下廠房系統(tǒng)位于灤河左岸，鞭子溝溝腦部位，與鞭子溝呈近60°角度斜交。巖性主要為三疊系干溝門單元中粗?；◢弾r，灰白色、肉紅色，巖石具花崗結(jié)構(gòu)，碎裂結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造?；◢弾r體中存在有蝕變帶，在構(gòu)造帶附近尤為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為巖體強度降低，巖石中的石英、長石等礦物蝕變，開挖揭示表明洞周節(jié)理裂隙發(fā)育[8-9]。

2 計算條件

2.1 計算模型

數(shù)值模型包含了完整的河谷地形信息、廠區(qū)地質(zhì)條件。模型范圍X軸方向長度取600 m，Y軸方向長度取800 m，模型底部高程870 m，頂部延伸至地表，單元總數(shù)約230 萬，cable錨索單元2 889根（其中加強錨索575 根）。主要考慮了f350、f370、f371、f3014、f375、f376、f3015、f3016、f3017、f3018、f3013等斷層，同時根據(jù)最新地質(zhì)揭示，廠房和主變洞共篩選了96條節(jié)理裂隙并采用界面單元進行精細(xì)模擬。山體整體模型見圖1，洞室體型模型見圖2。限于篇幅，本文僅對廠房第6期開挖成果進行分析。

2.2 開挖程序

考慮到開挖期數(shù)與分層高度對于圍巖的穩(wěn)定性有著重要影響，根據(jù)工程類比及已建工程經(jīng)驗，按施工組織設(shè)計要求，以主廠房、主變洞、尾閘室開挖為主線，根據(jù)現(xiàn)場實際施工進度，調(diào)整附屬洞室的開挖時段，施工開挖分期見圖3。模擬計算時以現(xiàn)場實際開挖分期情況實時調(diào)整模型。

2.3 數(shù)值計算方法

三維離散單元法是在時間域采用動態(tài)松弛法求解塊體的運動方程，在每個時步內(nèi)應(yīng)用牛頓運動定律和相應(yīng)的本構(gòu)方程，求解塊體之間的相互作用力。

塊體接觸的本構(gòu)關(guān)系是指塊體間接觸力與位移關(guān)系，3DEC中的塊體接觸方式有6種：面與面、面與邊、面與點、邊與邊、邊與點、點與點。接觸方式的多樣化使得計算過程中的判斷更加耗時，接觸的力學(xué)關(guān)系也更加復(fù)雜。3DEC采用了多種接觸關(guān)系搜索和判斷方法，比如為模型設(shè)置數(shù)學(xué)網(wǎng)格進行分區(qū)搜索，在接觸之間設(shè)置一個中間面，根據(jù)兩個相互接觸的塊體落在中間面上角點數(shù)目來判斷接觸關(guān)系，極大節(jié)省了計算時間。

巖體采用彈塑性本構(gòu)模型，破壞準(zhǔn)則采用具有拉伸截斷的復(fù)合Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則。錨索、錨桿采用3DEC中的cable單元模擬，噴混凝土層可采用linear單元模擬[10]。

2.4 初始地應(yīng)力

初始地應(yīng)力場分布的主要特征為：① 根據(jù)試驗，主廠房埋深約400 m，最大主應(yīng)力接近于水平，平均為NE79.5°，量值12～18 MPa。可見，廠區(qū)地應(yīng)力場屬于構(gòu)造應(yīng)力與自重應(yīng)力疊加的復(fù)合地應(yīng)力場，構(gòu)造應(yīng)力稍大，屬中等應(yīng)力區(qū)。② 根據(jù)反演的初始應(yīng)力場成果，以構(gòu)造應(yīng)力場為主，σx>σz>σy，表現(xiàn)為σx、σz應(yīng)力數(shù)值相對較大。③ 應(yīng)力量值分布基本隨埋深加大而增大，隨著埋深加大變化梯度逐漸變小。主體洞室群中部附近的σx應(yīng)力約15 MPa，σz應(yīng)力約12 MPa。斷層附近局部出現(xiàn)應(yīng)力跳躍現(xiàn)象，但變幅不大。

根據(jù)模型加載反演得到的初始地應(yīng)力場進行洞室群開挖支護計算。

3 反演分析方法及力學(xué)參數(shù)反演成果

采用基于正交試驗設(shè)計的正演位移反分析法，該方法雖然計算量大，但適應(yīng)性廣，計算思路清晰[11]。

3.1 GA+BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

正演法計算得到的計算位移U應(yīng)與實測位移Um相差最小，位移反演分析即求解數(shù)學(xué)規(guī)劃中的最優(yōu)化問題。洞室群施工過程中具有時空效應(yīng)的映射f有著高度的復(fù)雜性和非線性，恰好神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)對象輸入與輸出的數(shù)據(jù)直接建立模型，不需要對象的先驗知識及復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，并且采用適當(dāng)?shù)挠?xùn)練算法就可以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)精度目標(biāo)。BP網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，己被證明具有一個隱層的BP網(wǎng)絡(luò)模型可以對任意非線性函數(shù)進行逼近，因而可用于非線性對象的建模[12]。BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)反演基本流程見圖4。

鑒于巖石力學(xué)問題的復(fù)雜性，BP算法誤差空間是非線性、多極值的，易陷入“局部最優(yōu)”。因此需借助遺傳算法對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和初始權(quán)值進行優(yōu)化，將遺傳算法的全局尋優(yōu)能力與BP算法局部尋優(yōu)能力有效結(jié)合起來。遺傳算法是模擬達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說和自然界的生物進化過程的一種計算模型。采用簡單的編碼技術(shù)來表示各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并通過對一組編碼表示進行簡單的遺傳操作和優(yōu)勝劣汰的自然選擇來指導(dǎo)學(xué)習(xí)和確定搜索的方向。從初始種群出發(fā)，采用基于適應(yīng)值比例的選擇策略在當(dāng)前種群中選擇個體，使用雜交和變異來產(chǎn)生下一代種群。如此模仿生命的進化，一代代演化下去，直到滿足期望的終止條件為止。

基于遺傳算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理是用遺傳算法（GA）對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值進行優(yōu)化學(xué)習(xí)，利用GA的尋優(yōu)能力來獲取最佳權(quán)值[13-14]，基本流程見圖5。

3.2 正交試驗設(shè)計

考慮到該工程地下洞室群地質(zhì)條件復(fù)雜，節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體蝕變等不利因素影響，為盡可能反映現(xiàn)場實際狀況和宏觀把握洞室群圍巖參數(shù)情況，本文采用正交試驗設(shè)計，擬定待分析的力學(xué)參數(shù)10 個，包括巖石的彈性模量、凝聚力和內(nèi)摩擦角以及斷層和裂隙的凝聚力、內(nèi)摩擦角。各參數(shù)取3 個水平，選用L27（310）正交表，正交設(shè)計方案參數(shù)取值組合見表1。結(jié)合監(jiān)測成果和前期巖體參數(shù)敏感性分析，為了更貼合現(xiàn)場實際反饋參數(shù)適當(dāng)提高了Ⅳ類巖的變模取值范圍。

3.3 力學(xué)參數(shù)反演成果

利用GA+BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)建立起的圍巖力學(xué)參數(shù)與位移之間的高度非線性映射關(guān)系成果，基于BP網(wǎng)絡(luò)具有反向傳播的特性，輸入實測位移值，在巖體參數(shù)經(jīng)驗取值范圍內(nèi)搜索以獲取準(zhǔn)最優(yōu)解的巖體參數(shù)組合。

考慮到待反饋參數(shù)較多，組合多，且各參數(shù)取值為一定范圍，為了不失一般性和盡量消除隨機誤差影響，本次選用了3組較優(yōu)參數(shù)組合（見表2），通過正演分析并將計算位移與實測值進行對比（限于篇幅，僅列舉部分多點位移計的對比數(shù)據(jù)，見表3），綜合分析后選用較優(yōu)的第2組參數(shù)組合進行開挖支護計算分析。

4 圍巖穩(wěn)定性分析成果

4.1 圍巖變位

變形總體呈現(xiàn)內(nèi)收的特征，廠房上游邊墻變位大于下游，主變洞下游邊墻略大于上游，這主要受斷層、裂隙分布及母線洞、出線支洞等開挖影響（見圖6、圖7）。廠房頂拱最大變位約15.0 cm，出現(xiàn)在7號機斷層f375、f3014相交的Ⅳ類圍巖處;上游邊墻最大變位約11.8 cm，出現(xiàn)在0+182樁號高程91.00的斷層f3017處; 下游邊墻最大變位約11.0 cm，出現(xiàn)在9號～10號機間斷層f3016處。主變洞頂拱最大變位12.7 cm，主要受0+028.50樁號附近分布的裂隙L20～L27等的相互切割影響，且該樁號附近巖體存在蝕變，為Ⅳ類圍巖;上游邊墻最大變位為12.0 cm，出現(xiàn)在12號機母線洞上方高程993.00的斷層f3018影響處;下游邊墻最大變位13.3 cm，位于0+167樁號高程998.00，主要受斷層f375及下部進廠交通洞開挖的影響。

4.2 圍巖應(yīng)力

受多條斷層、裂隙切割影響，洞周應(yīng)力分布相對雜亂，局部應(yīng)力集中較為明顯（見圖8～9）。母線洞間巖柱應(yīng)力較為集中，最大主應(yīng)力在30 MPa以上;頂拱部位多處出現(xiàn)小于0.5 MPa的拉應(yīng)力區(qū);主洞室洞壁小范圍內(nèi)出現(xiàn)小值拉應(yīng)力區(qū)，最大主應(yīng)力在洞周約3 m范圍出現(xiàn)一定的松弛現(xiàn)象，在不利結(jié)構(gòu)面組合下淺表層局部穩(wěn)定問題相對突出。

4.3 塑性區(qū)

由圖10～12可見，塑性區(qū)主要分布于主洞室周邊，斷層、裂隙切割部位塑性區(qū)較深，尤其斷層f375、f3014等分布部位。① 廠房頂拱塑性區(qū)深度4～10 m，受斷層、裂隙切割的局部部位塑性區(qū)最大深度20 m;邊墻塑性區(qū)深度9～17 m。② 主變洞頂拱塑性區(qū)深度4～6 m，受斷層、裂隙切割的局部部位塑性區(qū)最大深度22 m，位于2號機頂拱處;下游邊墻塑性區(qū)深度約5.5 m，受斷層和裂隙分布、出線支洞等開挖的影響，深度稍大，達(dá)到13 m。③ 鑒于尾水支管與主變洞間巖柱厚度相對較薄，受裂隙、斷層f3015和f3018切割和尾水支管開挖影響，3號、6號、9號、10號尾水支管上下巖柱間塑性區(qū)貫通，施工過程中應(yīng)加強爆破控制和監(jiān)測，引起重點關(guān)注。④ 圖13表明隨著開挖進行，第7期～第8期開挖塑性區(qū)的占比明顯趨緩，塑性區(qū)體積增量也明顯減少，說明洞室已逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

總體上，隨著開挖面逐漸遠(yuǎn)離頂拱，頂拱塑性區(qū)深度變化不大，已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。已開挖邊墻中部塑性區(qū)深度增加較快，但仍在錨索長度控制范圍內(nèi)，洞室群整體穩(wěn)定性基本可控，局部破壞形式主要以結(jié)構(gòu)面控制性為主，局部圍巖穩(wěn)定問題應(yīng)引起重點關(guān)注。

4.4 錨索內(nèi)力

廠房頂拱先期施工的錨索內(nèi)力變化范圍為1 030～1 400 kN，個別受力超設(shè)計噸位，重點關(guān)注錨索受力超限問題;上游邊墻1 000 kN、1 500 kN錨索變化范圍為1 086～1 836 kN，下游錨索變化范圍為1 233～2 285 kN。主變洞頂拱錨索內(nèi)力變化范圍為1 008～1 439 kN，下游邊墻1 000 kN錨索內(nèi)力變化范圍為817～1 677 kN（見圖14）。最大值出現(xiàn)位置與洞周變位值較大部位相對應(yīng)，為了既能充分發(fā)揮錨索錨固效果又能保證錨索工作安全，可結(jié)合計算和監(jiān)測成果根據(jù)實際地質(zhì)情況，分區(qū)分高程設(shè)計錨索噸位和設(shè)置錨索鎖定值。

5 結(jié) 論

本文依據(jù)豐寧抽蓄電站超大型地下洞室群實測數(shù)據(jù)，采用大型通用三維離散元3DEC軟件，基于GA+BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對施工期的圍巖力學(xué)參數(shù)進行了動態(tài)反演分析。綜合上述計算分析成果，可得如下結(jié)論：

（1） 認(rèn)真分析了洞室群施工期的地質(zhì)條件，數(shù)值模型除考慮斷層外篩選了96 條節(jié)理裂隙加以模擬，充分反映了地下圍巖實際揭示情況。同時為了能夠宏觀把握地下洞室群圍巖狀況，盡可能準(zhǔn)確認(rèn)識洞室群整體穩(wěn)定性，選擇了10 個待反演力學(xué)參數(shù)，經(jīng)過數(shù)值模擬計算和GA+BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)，樣本平方相關(guān)系數(shù)R2=0.99，可信度高，可用于參數(shù)反演分析。進而依據(jù)監(jiān)測信息資料整理分析成果，通過參數(shù)反分析并經(jīng)計算位移與實測值對比，選擇相對最佳參數(shù)組合進行了三維數(shù)值開挖支護計算分析。

（2） 分析成果表明，洞周變位總體呈現(xiàn)內(nèi)收的分布特征，主洞室最大變位約15 cm，主要受斷層、裂隙密集分布、巖體蝕變帶及母線洞、出線支洞等開挖影響。類比其他工程，該工程變位量值相對較大，尤其主變洞頂拱巖體蝕變部位，施工時應(yīng)加強開挖過程控制和監(jiān)測，制定好針對性的加強支護預(yù)案[15]。

（3） 最大主應(yīng)力在洞壁約3 m 范圍出現(xiàn)一定的松弛現(xiàn)象，在不利結(jié)構(gòu)面組合下淺表層塊體穩(wěn)定問題相對突出。已開挖邊墻中部塑性區(qū)深度增加較快，但仍在錨索長度控制范圍內(nèi)，洞室群整體穩(wěn)定性基本可控，破壞形式主要以結(jié)構(gòu)面控制性為主，現(xiàn)場需做好關(guān)鍵塊體辨識，及時支護。

（4） 考慮到局部錨索受力較大，應(yīng)關(guān)注錨索受力可能超限的問題。為了既能充分發(fā)揮錨索錨固效果又能保證錨索工作安全，建議可根據(jù)實際地質(zhì)情況，分區(qū)分高程設(shè)計錨索噸位和設(shè)置錨索鎖定值。

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（編輯：鄭 毅）

引用本文：

張恩寶，孔張宇，王蘭普，等.豐寧抽水蓄能電站地下廠房圍巖穩(wěn)定性分析

[J].人民長江，2021，52（8）：151-157.

Surrounding rock stability of underground powerhouse in Fengning

pumped storage power station

ZHANG Enbao1，KONG Zhangyu2，WANG Lanpu2，ZHANG Shunli1，LYU Fengying2

（ 1.Hydrochina Chengdu Engineering Corporation Limited，Chengdu 610072，China; 2.Hebei Fengning Pumped Storage Co.，Ltd.，State Grid Xinyuan Company，Chengde 067000，China ）

Abstract：

A large scale three-dimensional numerical model is established based on the actual geological conditions revealed during the construction and the layout of the Fengning pumped storage station.Based on the monitoring data of surrounding rock deformation，the mechanical parameters of surrounding rock were inversed.The stability of surrounding rock mass and the mechanical characteristics of support were analyzed by the relatively optimum mechanical parameters given by the inversion.The results showed that the integral stability of the surrounding rock and the safety of the supporting structure were guaranteed，but the deformation of the alteration zones was relatively large，and also the stability of partial rock-block mass in the superficial tunnel wall was a relatively prominent problem，so the reinforcement measures plan should be made.The method will provide beneficial reference for excavation and support of similar underground cavern engineering in the future.

Key words：

underground powerhouse;surrounding rock stability;3DEC;orthogonal experimental design;inversion of mechanical parameters;neural network;genetic algorithm;Fengning pumped storage power station