基于強(qiáng)度折減法對(duì)某水電站主廠房洞室整體穩(wěn)定性分析

錢(qián)大江　張杰　范加勝

【摘 要】針對(duì)某建成水電站的主廠房在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的一些穩(wěn)定性問(wèn)題，基于強(qiáng)度折減理論，借助有限差分元軟件，對(duì)該水電站主廠房進(jìn)行穩(wěn)定性模擬計(jì)算分析，探究斷層對(duì)于水電站主廠房洞室穩(wěn)定影響，揭示了該水電站主廠房穩(wěn)定性規(guī)律，為水電站主廠房洞室的整體穩(wěn)定性問(wèn)題提供參考。

【關(guān)鍵詞】水電站主廠房洞室；強(qiáng)度折減理論；有限差分元

【Abstract】According to some stability problems of the main building of a power station built in appeared in the process of operation， the strength reduction theory based on finite difference element software of the hydropower station powerhouse stability simulation analysis，the influence of fault on the stability of the main powerhouse cavern of hydropower station is explored， and the stability rule of the main powerhouse is revealed， which provides a reference for the overall stability of the cavern group of hydropower station.

【Key words】Main powerhouse of hydropower station；Strength reduction theory；Finite difference element

1. 引言

（1）水電站地下廠房洞室群規(guī)模數(shù)量龐大，且結(jié)構(gòu)布置較為復(fù)雜。洞室?guī)r體節(jié)理裂隙的復(fù)雜性，也使得水電站地下廠房洞室工程在施工過(guò)程及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全性能存在一定的可變性風(fēng)險(xiǎn)。并且水電站廠房經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行之后，支護(hù)及設(shè)施強(qiáng)度均有降低，出現(xiàn)老化現(xiàn)象并伴有時(shí)效性的大變形，嚴(yán)重影響到水電站主廠房洞室的整體穩(wěn)定性及施工安全[1-2]。

（2）本研究以某水電站主廠房洞室為分析內(nèi)容，并運(yùn)用巖土工程數(shù)值分析模擬軟件建立有限差分模型，基于強(qiáng)度折減理論，通過(guò)軟件數(shù)值模擬計(jì)算得出，節(jié)理裂隙對(duì)于水電站主廠房洞室的整體穩(wěn)定性影響。

2. 三維模型的建立

（1）本次研究分析選取某水電站主廠房洞室部分為分析計(jì)算對(duì)象進(jìn)行模型建立，水電站主廠房尺寸為長(zhǎng)×寬×高（180m×24.5m×53.675m）。

（2）水電站主廠房洞室地下巖體性質(zhì)多為混合花崗巖，部分地區(qū)存在弱風(fēng)化及微風(fēng)化性質(zhì)的節(jié)理裂隙斷層，均需概化在數(shù)值模型當(dāng)中。水電站廠房洞室頂拱位置為140.28m，洞室底板程位置為86.70m。

（3）水電站主廠房洞室工程區(qū)域巖體性質(zhì)按照III類巖石參數(shù)進(jìn)行模擬分析，并且在分析研究區(qū)域中存在多個(gè)斷層穿過(guò)廠房洞室。

（4）斷層發(fā)育包括f9、f17、f18、f25、f37、fc1等6條，其中貫穿整個(gè)水電站廠房計(jì)算模型的斷層結(jié)構(gòu)包括f17、f25、f37。選取的水電站主廠房洞室群模擬分析計(jì)算網(wǎng)格模型如下圖1。

（5）本次模擬分析研究中主要考慮到不同形式的斷層對(duì)于洞室強(qiáng)度及穩(wěn)定性的影響，計(jì)算斷層的信息如表1所示。

（6）本著計(jì)算模型與實(shí)際情況相一致的原則，建立以水電站主廠房為主的三維地質(zhì)模型。計(jì)算模型共有583472個(gè)單元，如圖2所示。

3. 參數(shù)的選取

有限元計(jì)算模型采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，水電站廠房洞室?guī)r體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2所示。模型的邊界條件選取為x、z軸為固定邊界條件，左右兩側(cè)施加y方向下邊界的約束。有限元計(jì)算收斂值設(shè)定為1e-4，計(jì)算中分為20000步收斂（圍巖參數(shù)見(jiàn)表2）。

4. 強(qiáng)度折減法數(shù)值模擬

4.1 水電站主廠房巖石地層在初始地應(yīng)力作用的影響下，當(dāng)進(jìn)行水電站主廠房開(kāi)挖作業(yè)后，由于該地層中存在斷層的作用，使得整個(gè)水電站廠房洞室群應(yīng)力進(jìn)行重新分布，如圖3、圖4所示。

4.2 由圖3及圖4可以看出，水電站主廠房頂拱部位及底板部位均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值約為15Mpa，并且位于主廠房洞室群的交叉區(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象更加突出，應(yīng)力大小約35Mpa。

4.3 為了深入探究裂隙斷層對(duì)水電站主廠房洞室的整體穩(wěn)定性，將應(yīng)用強(qiáng)度折減理論。所謂強(qiáng)度折減法即為節(jié)理斷層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)C及，根據(jù)設(shè)置特定的強(qiáng)度折減系數(shù)（Fs），根據(jù)方程（1）和（2）得到新的參數(shù)值（CF 和 F）進(jìn)行模擬計(jì)算。

4.4 應(yīng)用強(qiáng)度折減法，對(duì)計(jì)算模型中斷層的內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角按系數(shù)為3.5、4.0、4.5、5.0進(jìn)行折減，具體折減系數(shù)及參數(shù)如表3。通過(guò)有限元軟件的計(jì)算分析，當(dāng)計(jì)算過(guò)程出現(xiàn)不收斂的情況時(shí)，即為洞室群周圍出現(xiàn)大量的塑性區(qū)域，水電站廠房產(chǎn)生破壞（折減參數(shù)見(jiàn)表3）。

5. 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)設(shè)定為3.5時(shí)，計(jì)算所得廠房洞室周圍還沒(méi)有出現(xiàn)塑性區(qū)域，即還沒(méi)有發(fā)生破壞。當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)增大到4.0時(shí)，計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)不收斂的現(xiàn)象，有塑性區(qū)域產(chǎn)生，即廠房發(fā)生破壞。當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)大于4.0時(shí)，這時(shí)洞室周圍產(chǎn)生連貫性破壞區(qū)域，即對(duì)洞室整體穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響（不同F(xiàn)s值的塑性區(qū)示意圖見(jiàn)圖5）。

5.2 通過(guò)以上數(shù)值模擬計(jì)算可得出水電站廠房的安全系數(shù)范圍介于3.5至4.0之間。通過(guò)如上計(jì)算過(guò)程進(jìn)行有限次區(qū)間縮小，最終計(jì)算得出較為準(zhǔn)確的安全系數(shù)值為3.9。

5.3 由于水電站廠房巖體中裂隙斷層的作用，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)設(shè)定為3.9時(shí)，水電站主廠房洞周圍開(kāi)始產(chǎn)生塑性區(qū)域，并且逐漸將產(chǎn)生貫通破壞，位于裂隙斷層與水電站主廠房洞室室交叉處，而此時(shí)計(jì)算得出的應(yīng)力-位移曲線顯示出，由于斷層的作用使得水電站廠房洞室強(qiáng)度進(jìn)入了屈服階段，如圖6所示。

6. 結(jié)論

（1）水電站主廠房的穩(wěn)定性受到洞室?guī)r體斷層的影響很大，而洞室斷層經(jīng)常會(huì)受到水庫(kù)的滲漏水的作用，其強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間逐漸減弱。因此依據(jù)強(qiáng)度折減理論，逐步減弱參數(shù)值來(lái)刻畫(huà)洞室斷層弱化這一過(guò)程是符合要求的，并且可以確定得出洞室的安全系數(shù)及破壞面，評(píng)價(jià)主廠房洞室的整體穩(wěn)定性，還可以依照安全系數(shù)數(shù)值來(lái)對(duì)斷層的加固施工提供參考。

（2）由數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果得出，斷層參數(shù)（C及）數(shù)值大小對(duì)廠房洞室的塑性區(qū)范圍影響大，水電站廠房洞室斷層參數(shù)值降低后對(duì)整體廠房洞室群的穩(wěn)定性影響明顯，而在廠房洞室的拱頂位置及底板位置影響將更為突出。所以在后期的防護(hù)工作中，加固斷層強(qiáng)度及防滲工作是重點(diǎn)工作。

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[文章編號(hào)]1619-2737（2018）04-08-706