安徽績溪抽水蓄能電站地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定性分析

孫金輝，沈霞瓊

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 問題的提出

抽水蓄能電站地下廠房具有埋深大、水頭高、圍巖穩(wěn)定要求高等特點。因此，地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定及支護設(shè)計等研究對抽蓄電站的建設(shè)及安全運行具有至關(guān)重要的意義。FLAC3D又稱三維快速拉格朗日法，是一種基于三維顯式有限差分法的數(shù)值分析方法，它可以準確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化以及大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)點[1-2]。本文采用FLAC3D程序建立安徽績溪抽水蓄能電站地下廠房洞室群數(shù)值分析模型，對施工開挖過程進行模擬，研究洞室群圍巖開挖后的位移場、應(yīng)力場和塑性區(qū)的分布特征，揭示應(yīng)力集中部位和圍巖潛在破壞部位的分布規(guī)律。

2 工程概況

安徽績溪抽水蓄能電站位于安徽省績溪縣伏嶺鎮(zhèn)境內(nèi)，距績溪縣城29 km。電站樞紐建筑物主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)及地下廠房洞室群和地面開關(guān)站組成。電站總裝機容量1 800 MW，安裝6臺單機容量300 MW的混流可逆式水輪發(fā)電機組。地下廠房洞室群由3大主洞（主副廠房洞、主變洞、尾閘洞）、母線洞和出線洞、進廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞、排水廊道等附屬洞室組成。主副廠房洞、主變洞、尾閘洞3大主洞平行布置：主副廠房洞開挖尺寸為210.00 m×24.50 m×53.40 m（長×寬×高），主變洞開挖尺寸為213.10 m×19.00 m×22.15 m（長×寬×高），尾閘洞開挖尺寸為173.85 m×7.80 m×19.70 m（長×寬×高）。主廠房洞與主變洞之間設(shè)6條母線洞以及主變運輸洞、交通電纜洞。

地下廠房洞室群推薦方案置于輸水系統(tǒng)中部偏尾部山脊的深部，主副廠房軸線位于CPD1長探洞樁號約0+790 m處，廠房軸線方向為N35°E，頂拱位于CPD1探洞以下約80 m。上覆巖體厚度為370～400 m。廠房區(qū)圍巖為新鮮（似）斑狀花崗巖，斷層較發(fā)育，節(jié)理較發(fā)育—發(fā)育，巖體較完整—完整，局部完整性差，塊狀—次塊狀結(jié)構(gòu)，局部為鑲嵌結(jié)構(gòu)，圍巖為Ⅱ～Ⅲ類，局部為Ⅳ類，斷層破碎帶為Ⅳ～Ⅴ類，地下廠房洞圍巖基本穩(wěn)定，局部穩(wěn)定性差。受斷層及節(jié)理切割組合影響，西北角頂拱及端墻、南部斷層f 228至f 240之間的頂拱和上、下游邊墻為Ⅲ類。

3 數(shù)值計算條件

3.1 幾何數(shù)值模型及邊界

根據(jù)績溪抽水蓄能電站地下廠房洞室群的布置情況，結(jié)合洞室圍巖地質(zhì)條件，采用FLAC3D程序建立數(shù)值分析模型。計算模型中包括主副廠房洞、主變洞、尾閘洞、引水洞、尾水洞、母線洞、主變運輸洞、交通電纜洞等洞室，模型考慮f 228、f 240兩條斷層，有限元計算坐標系為：順水流方向為X軸，機組軸線方向為Y軸，豎直向上為Z軸，其區(qū)域位置見圖1。計算原點位于副廠房右端墻，高程0.00 m處，X軸范圍為（-350.0，471.3），Y軸范圍為（-350.0，558.0），整體三圍計算網(wǎng)格見圖2。

圖1 數(shù)值計算模型區(qū)域示意圖 圖2 整體三維網(wǎng)格圖

洞室群及斷層實體模型見圖3，主副廠房、主變洞、尾閘洞及輸水系統(tǒng)的三圍計算網(wǎng)格見圖4。洞室及3大洞室洞周10 m范圍內(nèi)劃分網(wǎng)格尺寸不大于2 m，洞周25 m范圍內(nèi)劃分網(wǎng)格尺寸不大于5 m，共劃分單元599 263個，節(jié)點103 427個。

圖3 洞室群及斷層實體模型圖

圖4 主洞室及輸水系統(tǒng)三維網(wǎng)格圖

3.2 巖石力學(xué)參數(shù)及屈服準則

地下廠房區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)表采用地質(zhì)報告中的巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值[3]，見表1。計算時取平均值。

表1 地下廠房區(qū)巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)性質(zhì)指標表

對地下洞室?guī)r體力學(xué)行為進行三維彈塑性分析，采用Mohr-Coulomb屈服準則。

3.3 支護結(jié)構(gòu)模擬

地下廠房主要支護形式為普通砂漿錨桿和噴混凝土襯砌，故數(shù)值計算中分別采用Cable桿單元和Shell殼單元加以模擬。Cable單元可以模擬錨索（錨桿）軸向拉伸，也可以模擬兩端粘結(jié)錨固劑（如水泥漿）沿加固長度上產(chǎn)生的剪切行為。Shell殼單元由幾何形狀和材料參數(shù)定義，一個殼構(gòu)件被假定為3節(jié)點組成的均厚度的三角形，由這些三角形殼構(gòu)件組成的面形成一個任意形狀的殼。

3.4 分層開挖方案

地下洞室采取分層開挖，邊開挖邊支護。主廠房、母線洞、主變洞及尾閘洞分7層進行開挖，其開挖順序見圖5。在仿真計算中也采用相應(yīng)的分層高度和分層開挖方案（見表2）。

圖5 地下洞室分期開挖示意圖 單位：mm

表2 地下洞群分層開挖過程表

分層開挖過程中每期的計算施加步驟為：每一期洞室開挖部位材料賦予空模型，以模擬該層的開挖，激活該期洞周的Cable單元及Shell殼單元，以模擬洞周的支護，再進行有限元計算。

4 初始地應(yīng)力場分析

輸水發(fā)電系統(tǒng)三維地應(yīng)力測試共完成3組孔，分別在CPD1-1廠房探洞樁號0+145 m和樁號0-132 m、CPD1長探洞引水岔管部位樁號0+873 m處的CZK1、CZK5、CZK6鉆孔中進行，試驗采用水壓致裂法。試驗孔位布置見圖1，各孔組的三維地應(yīng)力成果匯總見表3。

表3 鉆孔三維地應(yīng)力測試計算成果匯總表

對3種地應(yīng)力場結(jié)果采用最小二乘法多元回歸分析，得到3個自變量的回歸系數(shù)：L1=1.158，L2=0.15，L3=0.295（L1為自重應(yīng)力回歸系數(shù)，L2為X向水平構(gòu)造應(yīng)力回歸系數(shù)，L3為Y向水平構(gòu)造應(yīng)力回歸系數(shù)）?；貧w分析中的復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.95，表明相關(guān)性好。各測點地應(yīng)力計算數(shù)值與實測值之間的對比關(guān)系見表4。計算結(jié)果與實測數(shù)值吻合較好，在規(guī)律上保持一致。

表4 各測點地應(yīng)力反演結(jié)果表 MPa

地下廠房區(qū)域（主要包括主副廠房、主變洞和尾閘洞）最大主應(yīng)力為-13～-10 MPa，第二主應(yīng)力為-11～-9MPa，最小主應(yīng)力為-8～-7 MPa，X向正應(yīng)力為-11～-8 MPa，Y向正應(yīng)力為-10～-8 MPa，Z向正應(yīng)力為-8～-7 MPa。總體而言，應(yīng)力水平介于-13～-7 MPa。受斷層f 240及f 228影響（特別是f 240），廠房機窩及尾水部分存在應(yīng)力集中，在開挖支護過程中應(yīng)引起重視。

5 計算結(jié)果分析

5.1 位移場與巖體變形分析

在洞群分期開挖過程中，地下洞室群巖體整體向洞內(nèi)臨空面移動，頂拱下沉、底板向上隆起、邊墻向內(nèi)移動，并且邊墻移動量均大于頂拱和底板移動量。通過圍巖穩(wěn)定性分析計算，得出主副廠房洞、主變洞、尾閘洞的頂拱中點、角點和邊墻中點等各特征點的變形。

各洞室開挖完成后，主廠房邊墻最大位移發(fā)生在沿1#機組中心線截面上游墻中點處，為59.86 mm；受f 240和f 228斷層的影響，沿1#、3#機組中心線截面邊墻位移大于沿6#機組中心線截面邊墻位移；巖梁處位移最大值出現(xiàn)在沿3#機組中心線截面下游巖梁處，為46.54 mm，由于受f 240斷層的影響，沿3#機組中心線截面下游巖梁處位移明顯大于1#、6#機組該處位移（分別為25.21 mm和29.01 mm）；3個斷面上游側(cè)巖梁位移相差不大；1#、3#、6#機組中心線截面頂拱的豎向向下位移分別為26.81，38.26，29.35 mm。主變洞及尾閘洞位移一般相對較小，主變洞頂拱最大位移為23.67 mm，上下游邊墻最大位移分別為11.27 mm和22.83 mm；尾閘洞頂拱最大位移為6.77 mm，上下游邊墻最大位移分別為6.29 mm和29.48 mm。3#機組附近的位移分布見圖6。

圖6 3#機組剖面開挖完成后位移分布圖 單位：mm

從位移的時間特點來看，洞室拱頂及邊墻位移一般隨開挖期逐漸增加（見圖7）。另外，計算還表明主廠房第4期和第5期的開挖引起整個廠房圍巖的位移增量較大，說明此2期是洞群開挖工程的關(guān)鍵期。

圖7 1#、3#、6#各機組段主廠房關(guān)鍵部位位移隨開挖期變化圖 單位：mm

分析可見，洞群圍巖位移表現(xiàn)出顯著的時空特點，故洞室開挖過程中應(yīng)加強一些大變形或變形增長較快的關(guān)鍵位置的監(jiān)測。綜合比較3大洞室位移可以看出，就位移值而言，主廠房＞主變洞＞尾閘洞。

5.2 圍巖應(yīng)力成果分析

計算結(jié)果表明，巖體第一分層開挖時，主廠房、主變室和尾閘洞的拱座處都存在不同程度的壓應(yīng)力集中，隨著洞室不斷開挖和高邊墻的形成，洞室圍巖的應(yīng)力增長較快。

洞室開挖完成后，圍巖應(yīng)力場重新分布，主廠房上下游邊墻出現(xiàn)一定的應(yīng)力松弛（-1～0 MPa），尾水管附近存在應(yīng)力集中（-22～-18 MPa）；主變洞下游拱座附近存在一定的應(yīng)力集中（-31～-28 MPa）；尾閘洞下游拱座及上游底板角點存在應(yīng)力集中（-28～-22 MPa），上下游邊墻存在一定的應(yīng)力松弛（-1～0 MPa）；母線洞與廠房交匯處存在應(yīng)力松弛。對以上區(qū)域有必要通過加強支護等工程措施來控制。圖8、9為主廠房沿3#機組中心線截面分層開挖結(jié)束后，第一、第三主應(yīng)力分布圖。

圖8 3#機組剖面開挖完成后第一主應(yīng)力分布圖 單位：MPa

圖9 3#機組剖面開挖完成后第三主應(yīng)力分布圖 單位：MPa

5.3 圍巖的塑性區(qū)分析

廠房全部開挖后，洞周基本為剪切塑性區(qū)，在下游邊墻與母線洞交匯處有少量張拉剪切混合塑性區(qū)，塑性區(qū)深度一般為7～8 m。但斷層影響區(qū)域塑性區(qū)深度可達10 m，特別是1#、2#機組上游側(cè)及3#機組下游側(cè)，f 228斷層影響較大，故斷層影響帶區(qū)域圍巖應(yīng)考慮進行長期穩(wěn)定性觀察。主變室開挖后，整個洞室圍巖塑性區(qū)一般為5 m左右，但一些受斷層和擠壓破碎帶影響區(qū)域的圍巖塑性區(qū)可能較大；母線洞靠廠房側(cè)與廠房交叉口圍巖塑性區(qū)相對較大，可能達到10 m，見圖10。

圖10 3#機組剖面開挖完成后圍巖塑性區(qū)分布圖

通過設(shè)計方案，表5給出噴錨支護開挖計算破壞指標，第3期開挖完成后塑性區(qū)體積增加較多，破壞形式主要是剪切破壞，全部開挖完成后，累計破壞體積為9.028萬m3。

表5 噴錨支護分層開挖計算破壞指標表

5.4 錨桿應(yīng)力分析

表6為分層開挖完成后各錨桿應(yīng)力比例表。由表6可以看出，至廠房開挖結(jié)束，達到屈服狀態(tài)的錨桿比例為1.71%，錨桿應(yīng)力超過200 MPa的比例為4.67%，絕大部分錨桿的應(yīng)力值均不大。開挖完畢后達到屈服狀態(tài)的錨桿示意見圖11。從圖11可以看出，處于屈服狀態(tài)的錨桿主要集中于各洞室f 240、f 228斷層出露處，3大洞室在該處均出現(xiàn)錨桿屈服?？傮w來說，支護設(shè)計方案基本能滿足要求，但對上述提到的f 240、f 228斷層影響部位需進行加強支護。

圖11 開挖完畢后達到屈服狀態(tài)的錨桿示意圖

表6 開挖完成后各錨桿應(yīng)力比例表

6 結(jié)論

通過對安徽績溪抽水蓄能電站地下洞室群圍巖穩(wěn)定性進行綜合研究，得出如下結(jié)論：

（1）廠址區(qū)域最大主應(yīng)力為-13～-10 MPa，第二主應(yīng)力為-11～-9 MPa，最小主應(yīng)力為-8～-7 MPa?？傮w而言，應(yīng)力水平介于-13～-7 MPa。

（2）地下廠房洞室群在開挖完成后，位移場的總特征為圍巖向臨空面方向發(fā)生移動：頂拱下沉、底板向上隆起、邊墻向內(nèi)移動，并且邊墻移動量均大于頂拱和底板移動量。最大位移發(fā)生于1#機組中心線截面上游巖梁處，為44mm。綜合比較3大洞室位移：主廠房＞主變洞＞尾閘洞。

（3）洞室開挖完成后，圍巖應(yīng)力場重新分布，主廠房上下游邊墻出現(xiàn)一定的應(yīng)力松弛（-1~0MPa），尾水管附近存在應(yīng)力集中（-22~-18MPa），母線洞與廠房交匯處存在應(yīng)力松弛。對以上區(qū)域須通過加強支護等工程措施來控制。

（4）穿越主廠房、主變洞及母線洞的f240、f228斷層增大了主廠房上、下游墻的位移量和應(yīng)力松弛范圍，對廠房的穩(wěn)定性存在不利影響。