勝利水電站地下廠房圍巖安全系數(shù)及預警研究

(遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程概況

勝利水電站位于新賓縣勝利村境內(nèi)的蘇子河上，是遼寧省規(guī)劃的蘇子河梯級開發(fā)中的最后一級[1]。壩址位于蘇子河上游的峽谷段內(nèi)，河道呈彎曲的“S”形，總體為右凸岸，坡度為40°～45°，有殘存的Ⅲ級基座階地，高程為320.00～341.20m，河床覆蓋層厚5～16m。勝利水電站開發(fā)方式為河床式。電站設(shè)計裝機總?cè)萘繛?4100kW，多年平均發(fā)電量3454萬kW·h。水庫校核洪水位(P=1%)148.07m；設(shè)計洪水位(P=3.33%)146.78m；正常蓄水位146.00m；死水位145.40m；P=1%洪水相應下游水位144.39m；P=3.33%洪水相應下游水位143.24m；正常蓄水位情況下尾水位139.29m；電站發(fā)電最大水頭7.33m；額定水頭6.10m。工程設(shè)計庫容為6.98億m3。勝利水電站是一座以發(fā)電為主，兼具防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的Ⅳ等大型水利樞紐工程。

勝利水電站地下發(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。其中，斷裂構(gòu)造主要為斷層、裂隙和節(jié)理以及層內(nèi)和層間錯動帶，構(gòu)造變形形式和構(gòu)造組合相對比較簡單。由于地下廠房屬于跨度較大的地下洞室結(jié)構(gòu)，構(gòu)造合適的數(shù)學模型對圍巖變形進行預測模擬，并進行相應的預警研究，對保證施工安全具有重要意義[3]。對勝利水電站的地下洞室開挖支護工程而言，由于地下廠房位于高應力區(qū)域，在開挖過程中出現(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，對圍巖變形破壞進行預警十分重要。

2 基于強度折減法的圍巖安全系數(shù)

2.1 計算模型的構(gòu)建

利用FLAC3D有限差分軟件，建立勝利水電站地下廠房的地質(zhì)概化模型(見圖1)，對地下廠房的開挖和支護過程進行模擬，建立地下廠房的數(shù)值模擬系統(tǒng)[4]。網(wǎng)格單元采取六面體八節(jié)點實體單元，整個模型共劃分為687940個計算單元、754938個計算節(jié)點。水電站的地下主副廠房需要分十次開挖，限于文章的篇幅，本次研究僅列出對第Ⅷ層開挖支護過程中的圍巖安全系數(shù)的分析研究成果。

圖1 地下廠房三維地質(zhì)模型

2.2 強度折減法的基本原理

張黎明等學者針對莫爾-庫侖材料進行研究，確定了求解安全系數(shù)的方法，其數(shù)學表達式如下[5]：

(1)

式中Ftr——圍巖安全系數(shù)；

τ——破壞面上的實際滑動力；

s——滑裂面上的抗剪強度。

FLAC3D強度折減法不僅可以模擬巖體和支護結(jié)構(gòu)的共同作用，也可以對圍巖巖體變形的逐步發(fā)展進行模擬，同時在進行安全系數(shù)的求解時并不需要對圍巖滑動面的形狀進行事先假定和條件劃分，與傳統(tǒng)的安全系數(shù)求法相比具有一定的優(yōu)勢[6]。強度折減法的基本原理為：安全系數(shù)計算過程中不斷降低巖體的強度指標，利用折減后的參數(shù)代替原參數(shù)計算圍巖的穩(wěn)定性，通過反復折減操作，直至圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時利用式(1)獲得的安全系數(shù)即為地下廠房的安全系數(shù)。在實際的工程應用中，由于圍巖的穩(wěn)定性存在較多的影響因素，因此在判別標準方面也尚未形成統(tǒng)一的意見。本次研究中結(jié)合勝利水電站地下洞室的具體情況，認為地下廠房達到臨界狀態(tài)時將會發(fā)生位移突變，從而使能夠正常收斂的計算過程不再具有收斂性。因此，研究中將上述指標作為廠房失穩(wěn)的判斷標準。

2.3 地下廠房圍巖變形破壞安全系數(shù)的計算

在利用強度折減法進行圍巖安全系數(shù)計算過程中，確定首項1.0、公差為0.25的等差數(shù)列進行圍巖強度折減。在計算過程中一旦發(fā)生位移和應力值的突變，就減小折減系數(shù)的變幅[7]。計算過程顯示，折減系數(shù)從1.0到2.0，就可以實現(xiàn)圍巖變形直至破壞的全過程的反映，最終獲得折減系數(shù)和圍巖強度參數(shù)之間的對應關(guān)系，結(jié)果見表1。

表1 折減系數(shù)與圍巖強度參數(shù)計算結(jié)果

在不同折減系數(shù)下，對勝利水電站地下廠房特征點的位移進行計算，結(jié)果見表2。由表2可知，勝利水電站地下廠房頂拱的沉降量以及巖梁的水平位移均隨著折減系數(shù)的增加而增大。具體而言，折減系數(shù)由1.0增加到1.75時，拱頂?shù)某两盗坑?05.68mm逐漸增大到109.85mm，而巖梁的水平位移則由58.70mm逐漸增大到64.24mm，在這一過程中，變形量雖然呈現(xiàn)出增大的態(tài)勢，但是增加的幅度并不大。但是，當折減系數(shù)大于1.75時，兩個特征點的位移量增加速率迅速增加，當折減系數(shù)為1.95時，拱頂?shù)某两盗垦杆僭龃蟮?49.22mm，而巖梁的水平位移也迅速增大到80.21mm。根據(jù)施工現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，此時地下廠房的變形量已經(jīng)達到警戒值，可能會誘發(fā)大范圍的圍巖破壞并造成廠房的整體破壞，因此，地下廠房的安全系數(shù)應該設(shè)定為1.75。

表2 不同折減系數(shù)下地下廠房特征點位移計算結(jié)果 單位：mm

3 圍巖破壞預警標準研究

圍巖的變形速率趨于變小并最終趨向于0是圍巖達到穩(wěn)定狀態(tài)的重要表征，而圍巖的變形速率不斷增大則是圍巖失穩(wěn)的重要表征。因此，國內(nèi)外對圍巖穩(wěn)定的判別標準就以此為重要依據(jù)[8]。在工程技術(shù)應用中，地下洞室圍巖穩(wěn)定性的判斷依據(jù)主要有兩個，一是圍巖的變形速率，二是圍巖的變形值。一般認為地下洞室的圍巖變形速率或者變形值超過某一閾值，即認為圍巖的巖體就處于不穩(wěn)定狀態(tài)，即將發(fā)生失穩(wěn)破壞。為了能夠準確、系統(tǒng)地反映地下洞室的圍巖穩(wěn)定狀態(tài)，做好地下洞室工程施工的圍巖穩(wěn)定預警工作，需要綜合運用位移速率、位移加速度以及位移量。

結(jié)合文本研究對象的實際情況，確定勝利水電站地下廠房圍巖失穩(wěn)破壞的兩個預警標準，為今后類似工程建設(shè)中的設(shè)計和施工提供一定的理論指導和經(jīng)驗借鑒。具體確定思路如下：根據(jù)相關(guān)學者的理論研究和實際工程經(jīng)驗總結(jié)，地下洞室結(jié)構(gòu)的圍巖失穩(wěn)破壞可以劃分為初期變形階段、平穩(wěn)發(fā)展階段以及加速變形階段。在初期變形階段和平穩(wěn)發(fā)展階段，圍巖的位移變形處于勻速狀態(tài)，變形量變化較小，意味著地下洞室結(jié)構(gòu)處于相對安全狀態(tài)；當?shù)叵露词覈鷰r進入加速變形階段時，圍巖的位移變形量迅速增大，說明地下洞室圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要引起相關(guān)人員的重視并進行報警；如果圍巖變形進一步呈現(xiàn)出持續(xù)加速變化狀態(tài)時，就需要采取有效保護措施，防止地下洞室坍塌等施工事故的發(fā)生。由此可見，對于地下洞室結(jié)構(gòu)的破壞預警，掌握圍巖加速變形時的數(shù)據(jù)極為關(guān)鍵，并認為當圍巖變形量大于加速變形階段的起始值時，即為預警預報的最佳時機。

利用上節(jié)構(gòu)建的模型和計算方法，對勝利水電站左岸地下廠房的頂拱與巖梁兩個特征點最大變形的累積位移和變形速率進行計算，同時結(jié)合與之相對應的開挖施工高度和測線長度，得到加速變形階段的相對變形速率和變形值，并基于上文分析，獲得圍巖破壞預警標準見表3。

表3 圍巖破壞預警標準

4 結(jié) 語

本文利用構(gòu)建的數(shù)值模型，利用折減系數(shù)法對勝利水電站地下廠房開挖過程中的圍巖破壞安全系數(shù)進行計算研究，結(jié)合勝利水電站地下廠房圍巖變形特點，建立地下廠房圍巖變形的FLAC3D地質(zhì)概化模型；利用折減系數(shù)法對勝利水電站地下廠房圍巖破壞安全系數(shù)進行計算，獲得圍巖破壞安全系數(shù)為1.75；根據(jù)計算成果提出了勝利水電站地下廠房圍巖變形破壞的兩個預警標準。本文確定的圍巖破壞預警的兩個標準，可為相關(guān)工程設(shè)計和建設(shè)中的安全預警體系提供理論支持和技術(shù)參考。