彭水電站地下廠房開挖支護全過程的數值模擬

陳 浩，謝運黎，李勉偉，李 敏，郭先友

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.廣州市水電建設工程有限公司，廣東廣州 510600；3.孝感市水利勘測設計院，湖北孝感 432100；4.中國水電建設集團港行建設有限公司，天津 300457）

1 引言

地下空間的開發和利用既是當代施工技術水平和科學技術水平發展的一種體現，又是當今人類物質文明進步發展的必然趨勢。目前我國的地下工程建設方興未艾，如城市地鐵、過江隧道、水電站地下廠房、水工隧洞、煤炭礦山井巷工程、重大軍用國際工程等。僅以水電工程而言，西南、西北地區一系列大型乃至巨型水電站如金沙江溪洛渡、向家壩、白鶴灘、雅礱江錦屏、瀾滄江小灣以及黃河拉西瓦水電站等相繼建設。在開發西部高山峽谷地區豐富的水能資源時，須布置規模龐大的發電機群。受地形、空間因素的制約，地下廠房往往是最經濟，最有效的選擇方式，有時也是唯一的選擇[1-3]。

迄今為止的地下工程實踐已經揭示了工程圍巖破壞可以概括地分為兩大類，一類是應力控制型破壞；另一類是塊體控制型破壞，也稱結構面控制型破壞或重力型破壞。兩者各有其發生條件[4]。在地下工程開挖施工過程中，圍巖應力條件和圍巖巖體臨空條件是不斷變化，給定位置上圍巖的破壞方式也因此可以發生變化，從而給具體的判斷增加了難度。即便如此，已有的經驗和知識還是可以幫助我們根據圍巖巖體條件和地下工程設計參數事先在宏觀上估計和評價圍巖潛在的問題[5]。

筆者以彭水電站的地下廠房開挖為背景，運用有限差分的數值分析方法（FLAC），結合彭水電站的地質資料和地應力分布規律，模擬地下廠房開挖，分析廠房開挖后圍巖位移與變形規律，并與實測資料對比，研究圍巖塑性區的空間分布特征，定量地分析開挖支護前后塑性區方量的變化，評價支護的有效性。

2 工程概況與開挖模型

2.1 工程地質條件與模型概化

彭水水利水電樞紐水電站是一裝機容量1 750 MW的大型綜合性水電工程，樞紐主要建筑物由弧形混凝土重力壩、右岸地下廠房和左岸通航建筑物組成。其中，右岸地下廠房洞室群主要由主廠房洞（包括安裝間）、5條母線洞、5條引水隧洞、5條尾水支洞及調壓井組成。主廠房軸線方位203°，主廠房洞室尺寸252 m（長）×30 m（寬）×78.5 m（高），洞頂高程248 m，洞底高程169.5 m。地下廠房洞室群的平面布置及其中的5#機組洞室剖面形態，如圖1所示。

彭水電站整體布局以及地下廠房所有機組段的結構特點都相似，建立一個機組段的模型即有足夠的代表性。基于以上考慮，以3#機組洞室群作為研究對象，模擬了主廠房的3#機組洞段、廠房附近的3#引水洞、3#母線洞和3#尾水洞。建立模型的精度原則上建筑物邊界精確到0.1，對廠房底部的結構形態進行了適當簡化處理，尾水洞與主廠房連接部位的形態也和設計存在較小差別。由于引水洞、母線洞以及尾水擴散段的不規則，造成主廠房的一些輪廓線條大小不一，劃分映射網格有一定困難，綜合各種因素確定在模型各條線合理分段的情況下對整體模型進行自由劃分。

圖1 廠房平面布置及剖面（單位/m）

計算采用工程中常用的摩爾-庫倫模型，根據相關的工程資料，計算模型中的相關參數，見表1。

表1 模型計算的物理參數

模型四周法向約束，底部三向約束，材料模型采用彈塑性摩爾－庫倫模型。根據實際施工開挖方案，在計算分析中分為10步，其中主廠房分10步開挖完成、母線洞和引水洞分2步開挖完成、尾水洞分3步開挖完成，具體開挖順序見表2。

表2 模擬開挖方案

2.2 廠房支護的模擬方法

本模型中對錨桿和錨索的模擬具有以下基本特點：

（1）模型中的每一根錨桿/錨索都和實際中的單根錨桿/錨索一一對應，沒有等效概念。

（2）模型中錨桿/錨索的安裝順序與設計原則一致，即進行下一個梯段開挖前對已開挖部分進行加固，體現了施工過程的仿真模擬。

（3）模型中錨索和錨桿（包括巖錨梁錨桿）的安裝時機，原則上是其所在部位被“開挖”揭露出來以后、下一步開挖之前。

模型中的錨固系統，如圖2所示。在本模型中共安裝了3 250根錨桿，根據設計資料，錨桿支護方案如下：

（1）頂拱：90 kN中空注漿張拉錨桿，Φ32@1.5 m× 1.5 m，L=8、10 m相間布置。

（2）邊墻：1 500 kN預應力錨索@4.5 m×4.5 m，L=20或25 m，錨索與水平面成10°上仰夾角布置；砂漿錨桿，Φ32@1.5 m×1.5 m，L＝6、9 m相間布置。

3 地下廠房開挖全過程數值模擬

3.1 開挖過程中圍巖的變形與應力分布規律

以下計算結果表示中，拉應力為正，壓應力為負，單位為MPa；其中，ux、uy和uz分別表示節點沿x軸、y軸和z軸的位移，位移的正負號與坐標軸正負方向一致，u表示節點的合位移（取絕對值），單位為mm。圖3為開挖完成后廠房機組中心線的位移矢量圖，從圖中位移矢量的方向可以看出開挖后巖體均向洞內變形，這符合地下洞室開挖圍巖變形的一般規律。

圖2 模型中由錨索、普通錨桿組成的錨固系統

主廠房分10步開挖。開挖后，周邊圍巖均沿主廠房洞徑向朝內位移，圍巖頂拱也有一定下沉，邊墻以及底板也都有所變形。隨著開挖的一步步進行，洞室周邊變形逐漸增大。開挖完成后主廠房頂拱的變形量為5～7.5 mm，最大垂直位移（向下）為9.67 mm。整體來說，下游邊墻變形量要大于上游邊墻，其最大位移值為21.99 mm，大致分布在頁巖與灰巖的分界面處，與監測資料一致。上游處邊墻位移為7.5～10mm，底板存在回彈變形，一般為5～7 mm，與實測資料的6.46 mm較為接近。

圖3 廠房機組中心線剖面的位移矢量

母線洞開挖完成后，洞周圍巖的變形一般為7.5～10 mm。

引水洞開挖完成后，洞周圍巖除了向洞內徑向變形外，同時還隨主廠房上游邊墻一起朝主廠房縱軸方向變形。洞周圍巖的變形一般為8～10 mm。

尾水洞開挖完成后，洞周圍巖除向洞內徑向變形外，沿上游水流方向也有一定位移。圍巖的變形一般為8～10 mm。每步開挖進行后的位移等值線云圖，如圖4所示。

在計算過程中設置17個典型位置的監測點，以記錄開挖過程中該位置的位移變化過程，同時也方便與實測資料中典型位置的測點位移相比較。圖5為下游邊墻某一位置監測點的位移變化曲線。

圖5 下游邊墻監測點的位移變化曲線

根據現場檢測，廠房開挖至201.0 m高程時，幾個典型位置的多點位移計變形實測值與計算的變形量見表3。由于位移檢測的滯后性以及多點位移計檢測的相對性，計算結果稍大于實測值，這符合一般規律，且兩者具有較強的可比性，總體上說明了筆者的模型及參數選擇合適，計算結果可信。

表3 計算位移與檢測位移對比 mm

（1）主廠房全斷面開挖后，主廠房頂拱仍處于受壓狀態，最大的壓應力為9.0～11.0 MPa。在開挖過程中，主廠房邊墻切向應力隨開挖步增大，徑向應力逐漸減小。主廠房的上下游邊墻中部都出現了一定深度的應力松弛區，最大主應力在4 MPa之內，邊墻低應力區基本上也就是圍巖松動區。另外，主廠房底部圍巖應力場規律良好，最大主應力為8～10 MPa。

（2）母線洞的頂部和底部都出現了明顯的應力松弛，該部位圍巖基本處于較低應力狀態，靠近主廠房方向壓應力逐漸減小，在與主廠房交接處甚至出現了少數拉應力區。在母線洞遠離廠房一端出現了一定的應力集中，最大主應力約為16 MPa。

（3）引水洞的應力狀態與母線洞類似，出現了明顯的應力松弛，該部位圍巖基本處于較低應力狀態，靠近主廠房方向壓應力逐漸減小，直至出現少數拉應力區。在引水洞遠離廠房一端出現了一定的應力集中，最大主應力約為18 MPa。

（4）在尾水洞的頂部和底部圍巖內出現了一定的應力集中現象，最大主應力約為20 MPa；兩側邊墻的圍巖應力出現了明顯的應力松弛現象，基本處于低應力狀態，約為1 MPa。

3.2 開挖過程中圍巖塑性區的空間分布特征

地下洞室群開挖完成采用錨桿支護后，在主廠房周圍產生了零星的塑性區，其中在主廠房下有邊墻出現的較多。圖6為開挖完成后的塑性區分布圖。

圖6 開挖完成后機組中心線剖面的塑性區

圖4 主廠房開挖全過程位移矢量云圖

總體來看，主廠房圍巖塑性區屈服以剪切破壞為主，其次為張拉破壞。每一步開挖后的塑性區方量均有所增加，僅統計第一次開挖圍巖出現的剪切塑性區的方量為1122.3m3，張拉塑性區的方量為6304.8 m3，第十次開挖圍巖出現的剪切塑性區的方量為38 310 m3，張拉塑性區的方量為24 480 m3。巖體天支護條件下，塑性區的分布較廣，對廠房圍巖的穩定性有較大影響，因此需要考慮對圍巖的積極支護。

3.3 圍巖支護效果分析

加入錨桿支護以后，主廠房頂拱變形有所下降。主廠房頂拱的最大沉降由原來的6.08 mm降為5.57 mm。在有支護方案的情況下，整個廠房的最大位移處也就是下游邊墻頁巖與灰巖交界處的位移由5.23 cm降到了2.19 cm。另外，加入錨桿后，圍巖的塑性區的改變狀況是大部分塑性區消除。以第三次開挖為例，第三次開挖圍巖出現的剪切塑性區的方量為4 619.2 m3，張拉塑性區的方量為3 876.4 m3；采用錨桿支護后，剪切塑性區的方量為50.892 m3，張拉塑性區的方量為16.874 m3，塑性區相比之前基本消除。

為了更直觀地反映兩者的區別，圖7-8分別是某開挖步完成后有支護和無支護情況下圍巖塑性區分布示意圖。圖9是在加入錨桿支護和不加錨桿支護的情況下的沉降量變形曲線圖。

圖7 有支護塑性區示意

總體而言，表征有支護的實線曲線始終在表征無支護的虛線曲線下方，從圖7-9可以看出，隨著開挖步的增加，巖體在有支護條件下的變形與無支護的差異逐漸增大，支護對地下廠房的穩定性效果明顯。

計算結果同時表明巖體的支護效果不僅體現在當前開挖步，地下廠房的整體穩定性應是每一步開挖后有效支護的結果。

圖8 無支護塑性區示意

圖9 有無支護下圍巖變形對比曲線

4 結論

根據以上數值模擬結果，可以得出以下結論：

（1）洞室開挖后，主廠房洞周圍巖均朝洞內徑向變形，廠房洞頂、上下游邊墻以及底板圍巖均沿著廠房中心線方向有不同程度的變形；母線洞、引水洞、尾水洞一方面朝洞內徑向變形，還隨主廠房下游邊墻朝廠房縱軸方向變形；而尾水洞周圍圍巖向洞內及上游水流方向一起變形。

（2）總體來看，主廠房圍巖以剪切破壞為主，其次為拉剪破壞，塑性區沿洞周都有間斷分布；而塑性區大面積分布在主廠房和尾水洞相交的部位，該部位需要重點考慮支護。

（3）在考慮錨桿支護后，洞周圍巖的應力以及剪切破壞的塑性區有較大變化，周圍巖體的變形也有減小，這說明錨桿支護對洞室開挖效果較好；從塑性區分布圖可以看出在主廠房與尾水洞相交處還存在小范圍塑性區，還需進一步采取加固措施。

[1]李寧，張志強，張平.地下洞室設計新理念與仿真分析法[A].第八次全國巖石力學與工程學術大會論文集[C].北京：科學出版社，2004：45-51.

[2]莫斯特科夫BM著，王德林，卓明葆譯.大斷面地下建筑物[M].北京：中國建筑工業出版社，1980.

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[4]蔣建平，章楊松，羅國煜.基于土體中結構面的巖土工程問題探討[J].工程地質學報，2002，10（2）：160-165.

[5]陶振宇.試論巖石力學的最新進展[J].力學進展，1992，22（2）：161-172.