和静抽水蓄能电站主厂房开挖卸荷围岩变形与支护模拟研究

李丽君,马 彬

(1. 新疆塔里木河流域干流管理局,库尔勒 841000;2. 西安科技大学 建筑与土木工程学院,西安 710054)

0 前 言

中国水电资源主要集中于西部高山峡谷地区,受地形条件限制,引水发电系统一般采用大尺寸的地下洞室群[1-2]。西部深切峡谷地区往往赋存地应力较大,加之地下洞室开挖断面大,围岩的变形控制及支护措施就成为施工关键问题。

诸多专家学者就地下厂房洞室的稳定性分析和支护问题进行了深入研究。何少云等[3]模拟计算了地下厂房由上向下分层开挖时围岩应力变化情况。高凯等[4]经FLAC3D模拟软件研究了地下洞室开挖及支护后围岩的应力场、应变场等变化特征。李冬冬等[5]依托地下厂房工程,从细观角度研究了局部围岩损伤、破坏的力学机制。段涛等[6]研究了围岩变形规律、特性和原因,提出了为稳定围岩采取的工程措施。王旭等[7]结合隧道工程厂区岩体赋存环境,进行了考虑卸荷速率的砂岩分级卸荷力学特性试验。钱军刚等[8]进行了施工开挖仿真分析,综合判断围岩的变形规律、应力状态、塑性区分布等。LI Biao等[9]分析了开挖卸荷引起的围岩时空损伤特征。杨东升等[10]基于BIM技术结合地下洞室开挖施工特点,提出了一套适合现场技术人员的关键块体分析方法,可对复杂施工现场进行快速响应。李继成等[11]依托白鹤滩水电站地下洞群,利用3DEC软件对陡倾结构面控制下的左岸尾调室进行数值模拟,结果表明陡倾结构面对拱顶围岩变形有关键影响。黄鹏等[12]针对地下洞群开挖过程中岩体力学参数的确定问题,提出了一种考虑岩体松弛程度及地质信息的优化算法。李鹏等[13]结合现场监测、有限元分析及块体理论对缓倾围岩分类提出了建议。朱维申等[14]依托小浪底水利枢纽地下厂房工程,分析对比了开挖、支护工况下的围岩稳定性。冉隆田等[15]结合彭水水电站地下主厂房特殊的布置方式,通过地质建模计算对主厂房变形控制给出了建议。

分析发现对电站地下厂房开挖过程的围岩变形和支护措施进行研究,是普遍采用的安全保障措施。加之,主厂房宽度大、地质条件复杂、安全问题突出、施工干扰强,其开挖与支护是整个地下厂房系统的核心。基于此,本文以和静电站地下主厂房为研究对象,通过数值模拟手段,研究地下硐室开挖卸荷变形特征和支护措施有效性,为指导围岩稳定与变形控制提供依据。

1 工程概况

和静抽水蓄能电站位于新疆和静县境内,地处深山峡谷区。围岩岩性主要为凝灰岩。岩体多呈次块状～块状,主要为微风化～新鲜岩体,围岩初步分类为Ⅱ～Ⅲ1类,易于蓄集较高的应变能,地应力值相对较高。厂房区内地应力测值最高为σ1=36.43 MPa,σ2=29.80 MPa,σ3=22.32 MPa。σ2的方向与硐轴向大角度相交,由于开挖卸荷作用,不利于边墙稳定。主厂房平均垂直埋深530 m,主厂房共分9层开挖,安装6台机组,总装机容量为2 100 MW。开挖断面尺寸岩锚梁以上跨度为29.2 m,岩壁吊车梁以下跨度为25.8 m,最大高度37.5 m。总长度为224.4 m,厂房顶拱高程1 730.50 m,厂房底板高程为1 693.00 m,模型布置3个测点,分别为拱顶,拱顶与上下游边墙交接部位,主厂房施工顺序如图1所示。

图1 主厂房施工顺序

2 计算条件

2.1 计算模型

围岩力学性质较好,岩层为缓倾角,且广房横截面相对于纵向长度较短,假定围岩不产生纵向位移,只计算其横向位移。将问题简化为二维平面应变问题进行分析。断层采用Interface单元进行模拟。模型的边界顶部范围为3倍洞高,底部为3倍洞高,左、右均为5倍洞宽。模型采取边界荷载调整法施加地应力,即通过不断调整边界荷载的分布方式,使得测试点的地应力大小与实测差值最小,并将这种状况下的荷载组合作为该模型的地应力场 。横型左、右边界限制y向位移,底部限制z向位移。图2为数值计算模型网格。

图2 数值计算模型网格

地下厂房区无大型区域断裂穿过,经开挖揭示,主要发育一些次级小断层、挤压破碎带以及节理裂隙。厂横0+083.80 m段发育2条断层,围岩类别Ⅲ2,断层走向为N30° E/SE∠60°和N50～80° W/NE∠50～70°,断层多为层间挤压带,产状以层面产状为主,挤压破碎带内多充填碎裂岩、碎片岩,少量碎粉岩,挤压紧密,带宽以0.01～0.1 m为主,部分厚度较大,最厚可达0.5～0.6 m。

2.2 计算参数

主厂房开挖方案(以Ⅲ1类围岩处断面为例),总体分9步开挖,第1步完成拱顶部分开挖,第2～9步主要完成边墙部分开挖。岩体和断层力学参数见表1,计算采用的是弹塑性本构模型,屈服准则采用的摩尔库伦准则。主厂房基本支护参数为顶拱采用直径32 mm预应力锚杆,长度9 m,间排距1.5 m×1.5 m;采用直径150 mm 预应力锚索,间排距4.5 m×4.5 m,长度25 m。边墙采用直径150 mm预应力锚索,间排距6.0 m×6.0 m。拱座、端墙、边墙锚杆支护参数与顶拱相同。锚杆预应力为100 kN,锚索预应力为1 500 kN。顶拱喷C25混凝土20 cm,挂网直径8@15 cm×15 cm。侧墙及端墙喷C25混凝土20 cm,挂网直径8@15 cm×15 cm。依据主厂房开挖支护方案,为对比分析开挖与支护后围岩变形特征,模拟计算选取2个概化工况,工况1为分步开挖,不支护;工况2为分步开挖,及时支护,即开挖计算平衡后立即进行支护计算。

表1 岩体和断层物理力学参数

3 开挖工况围岩稳定性数值模拟结果

3.1 变形分析

图3、4为开挖工况下位移分布云图。由图可知,总体变形趋势表现为指向厂房临空面方向,在开挖拱顶部分后下沉较为明显,主要由于拱顶附近岩体内存在F1、F2断层交接面,且存在地层分界面而造成的。随着开挖进程,顶拱下沉变化逐渐趋于平缓,至开挖完成后,最终下沉量约为20 cm,底板回弹较小,约为6 cm。顶拱与边墙交接处上游最终水平位移约为6.8 cm,下游约为7.3 cm,上游边墙水平位移有较为明显剪切错动变形特征。分析认为边墙剪切错动变形与F1、F2断层有较大关系,断层与边墙大角度相交,由于开挖卸荷、应力调整,高地应力条件下卸荷作用使得断层力学参数不断劣化,致使断层上下盘的岩体产生滑移,变形的不均匀,从而致使边墙出现剪切错动特征。

图3 开挖工况垂直位移场 单位:cm

图4 开挖工况水平位移场 单位:cm

3.2 塑性区分析

图5为开挖工况下塑性区域分布图。由图5分析可知,主厂房开挖过程中,除拱顶和边墙部分区域为拉剪破坏外,围岩以剪切破坏为主。开挖至边墙部位后,受主厂房高边墙特征影响,边墙效应逐渐凸显,塑性区大部分位于左右边墙附近,塑性区深度增加。

图5 开挖工况塑性分布区域

综合分析开挖过程中洞周部分的塑性分布区域可知,顶拱塑性区最大深度约为12 m,上游侧边墙最大深度为18 m,下游侧最大深度为16 m,上游侧略大于下游侧。

3.3 应力分析

图6为开挖工况下最小主应力云图。由图6可知,顶拱开挖后,拱顶部位出现了拉应力,约为1 MPa,随着开挖进行拉应力值先降低,随后增加。在开挖至端墙附近时开始增加,在开挖结束拉应力增大至约1.5 MPa,主要的应力集中区域为洞周附近岩体。最小主应力σ3min分布主要受断层展布影响,具有一定的不对称性。在断层F2上部应力集中区域分布范围深,下部分布范围浅,有沿F2断层持续加深的趋势。

图6 开挖工况最小主应力

4 支护工况围岩稳定性数值模拟结果

4.1 变形分析

图7、8为支护工况下位移分布云图。对比各支护进程的位移云图发现,支护工况下位移云图分布发生变化,位移分布区域面积有所减小,最大位移区域零散分布于洞周。拱顶最大垂直位移为14 cm,降幅达30%;顶拱与边墙交接处上游水平位移约为4.2 cm,下游约为4.6 cm,降幅分别为32%和37%,剪切错动变形趋于平缓。可见在支护措施影响下,围岩变形得到抑制,抵抗变形能力加强,支护效果较为明显。

图8 支护工况水平位移场 单位:cm

4.2 塑性区分析

图9为支护工况下塑性区域分布云图。对比分析开挖工况与支护工况塑性区分布可知,整体上以剪切破坏为主。支护后塑性区深度降低,范围减小。顶拱塑性区最大深度约为8 m,上游侧边墙最大深度为13 m,下游侧最大深度为12 m,分别降低了约34%、27%、25%,主厂房高边墙效应缓解。塑性区深度在锚索长度控制范围内,围岩稳定性较好。此外,在开挖支护工况下,围岩受扰动较小,破坏区域相对于开挖工况下减小,然而塑性区有向F1及F1和F2夹持区域延伸扩展的趋势,仍需关注区块围岩稳定问题。

图9 支护工况塑性区域

4.3 应力分析

图10为支护工况下最小主应力分布云图。对比分析开挖工况与支护工况下最小主应力分布云图可知,整体上两种工况应力场分布规律基本相同。随着开挖步数的增加,边墙交接部位为拉应力较容易出现部位,尤其开挖轮廓与F1、F2断层相交部位更为明显。围岩的压应力集中得以释放,应力水平逐渐降低。开挖完成最小主应力开始衰减。支护工况拱顶最小主应力σ3min约为-4.7 MPa,拱顶与边墙交接部位上游侧约为-3.3 MPa,下游侧约为-4.3 MPa,均为压应力。表明开挖支护后应力场得到改善,围岩承载能力逐步增强。

5 有无支护方案监测点对比分析

顶拱及上、下游边墙监测点垂直位移如图 11所示。由图11可知,拱顶由于开挖失去下部岩体的支撑作用,在重力的作用下随开挖的进行垂直方向的位移向下,支护前的最大竖向位移为-18.6 cm,支护后降至-14.5 cm,支护措施有效抑制了拱顶岩体的变形。边墙岩体由于开挖卸荷的影响,垂直位移向上,且受断层的影响,下游侧边墙变形大于上游侧。

图12 顶拱及上、下游边墙水平位移随开挖期变化

顶拱及上、下游边墙监测点水平位移如图 12所示。拱顶处围岩水平位移较小,在支护后仅有0.39 cm。在第5步开挖时开挖至上、下游边墙的监测点处,因此出现了较大的变形,上、下游边墙均向开挖临空面变形,支护后上游边墙的水平位移减小了约1 cm,由于下游侧边墙更靠近断层,其变形由断层主控,因此支护后水平位移仅减小了0.15 cm,锚杆、锚索支护效果不明显,应考虑加强边墙附近断层的支护措施如灌浆等。

6 结 论

本文依托和静抽水蓄能电站主厂房开挖工程,采用数值模拟手段,对开挖过程中围岩变形与支护效果进行了分析与探讨,主要结论如下:

(1) 顶拱附近岩体内存在两断层面交接部位,且存在地层分界面而造成拱顶下沉比较明显。开挖工况最终下沉量20 cm左右,支护工况最大下沉量14 cm,降幅达30%,围岩变形能力降低。

(2) 围岩以剪切破坏为主,拱顶和边墙小部分区域为拉剪破坏,受高边墙特征影响塑性区大部分位于左右边墙附近,拱顶、上游侧边墙、下游侧边墙,支护工况塑性区深度较开挖工况分别降低了约34%、32%、37%,缓解了高边墙效应。

(3) 最小主应力σ3min的正值(拉应力)分布与F1、F2断层展布情况关系密切,主要位于边墙附近,有沿F1断层持续发展的趋势。支护工况应力集中得以释放,应力水平逐渐降低,拱顶、拱顶与边墙交接处最小主应力σ3min变为负值(压应力),围岩应力场逐步得到改善,承载能力得到增强。