水電站地下廠房開挖過程彈塑性數值分析

郭 健

1 工程概況

某水電站為一閘壩引水式水電站，裝機90MW(3×30MW)，屬于Ⅲ等中型工程，電站由樞紐、引水發電隧洞、調壓井、高壓水道及地下廠房等建筑物組成。地下廠房由主副廠房、安裝場、母線洞、出線豎井、尾水支洞、排水廊道、廠房交通洞、地面升壓站等建筑物組成。主廠房設 3臺30MW混流式機組，總裝機90MW;地下廠房交通洞長 1 430m，采用城門洞型結構，鋼筋混凝土襯砌，斷面尺寸為7m×6.5 m(寬×高)，開挖斷面8.0m×7.0m。主廠房設計長度48.5m，寬度16.9m，建基高程2 009.80m，副廠房設計長度21.3m，寬度16.9m，建基高程2 019.8m，廠房穹頂高程2 043.44 m，主副廠房呈一字形布置，總體開挖尺寸為69.8m×16.9m×33.4m(長×寬×高);母線洞為城門洞型結構，開挖斷面11.2m×8.4m(寬×高)，長36.4m，鋼筋混凝土襯砌，頂面標高 2 043.44m;排水廊道共兩層，采用城門洞型結構，斷面尺寸2.6m×2.5m，開挖斷面2.7m×3.6m;出線豎井高110m，開挖直徑10m。

2 地質條件

電站廠房區出露的地層巖性主要為志留系粉砂泥質板巖、砂質板巖及第四系不同成因類型的堆積物。志留系粉砂泥質板巖、砂質板巖為構成廠房區內各建筑物的基礎巖石，二者在廠區內交替出現，軟硬相間。構成廠房地下洞室群的圍巖均為砂質板巖夾粉砂泥質板巖，微風化～新鮮，中硬巖，以砂質板巖為主，局部有少量石英巖脈分布，巖體中斷裂構造比較發育，特別是緩傾角裂隙發育較多。地下洞室群位于地下水位以下，水量不大。巖體中無有害氣體分布，廠房拱頂以下有高應力集中現象，局部可能有輕微巖爆發生。廠房拱頂屬于Ⅳ類圍巖，邊墻屬于Ⅲ類圍巖，斷層破碎帶處有Ⅳ，Ⅴ類圍巖。為了對洞室群開挖后圍巖的穩定性進行分析，根據設計圖紙建立出線豎井、母線洞及廠房的三維彈塑性有限元模型，對施工過程進行數值模擬分析，根據計算結果對圍巖穩定性進行分析以指導施工方法的選擇和施工順序的確定。

3 計算模型及假定

3.1 有限元模型及計算假定

計算采用MIDAS-GTS巖土專業有限元分析軟件。計算區域包括主副廠房，母線洞，出線豎井，不考慮其他洞室的影響。根據設計圖紙建立計算模型，模型豎直方向向上取至地表，向下取至廠房底層以下20m，模型高120m，寬120m，長120m。計算中不考慮斷層及地下水的影響。模型邊界條件，左右邊界水平位移約束，頂部為自由面，底部豎向位移約束。

根據圍巖特征，計算時假定巖體遵循理想彈塑性本構關系和Mohr-Coulomb屈服準則。摩爾—庫侖(Mohr-Coulomb)準則的表示形式為[1-3]:

其中，τn為極限抗剪強度;σn為剪切面上的法向應力，以拉應力為正;c，φ分別為土的粘聚力和內摩擦角。

計算時巖體初始應力場僅考慮自重應力場，自重應力場由程序計算。忽略圍巖構造應力，圍巖采用實體單元模擬，錨桿用植入式桁架模擬，混凝土采用板單元模擬，錨索拱架用梁單元模擬[4，5]，施工中支護及錨固措施及其參數見表 1，表 2。

表1 支護結構設計參數

表2 圍巖及支護結構的物理力學參數

3.2 施工過程模擬

為了能較真實的反映施工過程中圍巖的變形及應力變化情況，在數值模擬分析中按實際的施工開挖步驟進行模擬計算。按實際工程中采用的開挖進尺和開挖順序，出線豎井共分 16層開挖，母線洞分 10層開挖，廠房共分 5層開挖。按施工設計每一步開挖后進行錨桿、錨索、噴射混凝土等支護結構施工，為簡化計算，模擬過程中未考慮吊車梁及錨索的影響，根據開挖步驟建立出線豎井、母線洞和廠房的三維計算模型。

4 計算結果分析

4.1 圍巖位移場分析

為了分析開挖過程中洞周位移的變化情況，在洞周選擇若干特征點來分析開挖過程位移的變化。從上游到下游取 A，B，C共3個斷面來描述位移的變化。由計算結果可見，由于開挖斷面較小，洞周圍巖的位移隨開挖過程變化也較小。最大位移發生在主廠房開挖過程中，廠房第一層開挖后洞室周邊將發生偏向洞內的位移。由于此時開挖臨空面較小，洞室邊墻尚未形成，洞周圍巖的主要變形發生在頂拱及底板處，位移方向指向洞內，其中頂拱及底板中部的位移較大。隨開挖過程的進行特征點位移都呈現增大的趨勢。第一層開挖完成后，洞周最大水平位移為 5.2mm，位于上游洞壁處。第二層開挖完成后，洞周最大水平位移為7.8mm。隨著開挖的進行，高邊墻逐漸形成，主要變形由頂拱、底板向邊墻轉移，第二層開挖完成后頂拱最大位移為7.3mm，此時頂拱與底板變形逐漸趨于穩定。第三層開挖完后，洞周最大水平位移快速增長為10mm，位于下游邊墻中部，方向指向洞內，頂拱最大下沉量達到 22mm，隨后變化十分平緩。第四層開挖時，由于洞室臨空面較大，邊墻變形進一步增大，開挖結束時邊墻水平位移達到13mm，頂拱最大下沉量幾乎沒有變化，下游邊墻最大變形為 33mm。第五及六層開挖完時，邊墻最大水平位移達到了16mm，頂拱豎向位移基本穩定。邊墻水平位移隨開挖過程變化見圖 1～圖 3?？梢姡S著開挖的進行，各個點的位移均在增大，但全部開挖結束后，整體上圍巖的變形量比較小，洞室整體上處于穩定狀態。

4.2 圍巖應力分析

在開挖過程中，圍巖應力場不斷發生調整變化。第 1主應力(徑向應力)方向接近垂直于開挖面方向，局部由壓應力變為拉應力;第 2主應力(切向應力)接近平行開挖面方向。開挖完成后，主廠房頂拱與底板均處于受壓狀態，頂拱的切向最大壓應力為122.7MPa;上游邊墻與底板的切向最大壓應力為62MPa;最大拉應力出現在廠房上游邊墻，最大拉應力為48MPa。

4.3 圍巖塑性區分析

從開挖過程可見，初始應力狀態下，圍巖應力較小，基本無塑性區，隨著開挖的進行，塑性區逐漸出現，擴展范圍也增大，但主要分布于洞室結構的突變位置。豎井開挖時基本無塑性區，母線洞開挖時塑性區很小。主廠房第一層開挖達到主廠房拱座高程時，在拱頂處產生了大片塑性區，同時下游拱座處產生了少量塑性區。在開挖到第三層時，在主廠房下游側墻處產生了大片塑性區;在開挖到第五層時，側墻上部 1/2位置產生了塑性區。在開挖過程中，拱頂塑性區分布變化不大，由于豎井和母線洞的開挖斷面較小，開挖過程中只在母線洞與主廠房相交的區域塑性區持續擴展，其他位置基本沒有塑性區出現。

4.4 支護結構內力分析

從開挖過程可見，出線豎井和母線洞噴射混凝土層內力較小，主廠房噴射混凝土層的內力較大，主廠房第三層開挖完成時頂拱彎矩和剪力達到最大值。隨開挖過程的進行，頂拱彎矩和剪力逐漸趨于穩定。最大彎矩出現在頂拱頂部和頂拱與邊墻交界處。邊墻噴射混凝土層在開挖完成后內力達到穩定，最大彎矩出現在上游邊墻中部，邊墻主要受壓。錨桿主要受拉力，但錨桿拉應力總體較小。

5 結語

分析計算表明，水電站地下廠房洞室群開挖后洞周圍巖的位移、應力以及塑性區分布符合一般規律。從計算結果可見，擬定的開挖順序是合理的，圍巖的變形符合一般規律。頂拱和側墻等部位的最大位移值均在允許的范圍內。但在施工中，洞室交叉處應力集中對洞室穩定的影響是不可忽視的問題，應加強觀測并及時采取支護措施。開挖過程中，隨著高邊墻的形成，洞室交叉處的塑性區會突然變大，甚至出現局部的貫穿區。為使最終塑性區較小，應盡量避免同一開挖順序中各洞室間的互相影響，即應將洞室的開挖順序從時間和空間上盡量錯開。

[1] 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社，2002.

[2] 孫 鈞，汪炳鑑.地下結構有限元解析[M].上海:同濟大學出版社，1988.

[3] 雷曉燕.巖土工程數值計算[M].北京:中國鐵道出版社，1999.

[4] 陳仲先，湯 雷.高地應力大型地下洞室的位移和錨桿應力特性[J].巖土工程學報，2000，22(3):2-6.

[5] 朱維申，李曉靜，郭彥雙.地下大型洞室群穩定性的系統性研究[J].巖石力學與工程學報，2004，22(3):3-4.