澳大利亞Kiston水電站地下廠房圍巖穩定分析

陸健健 方 丹 姚新剛

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310002)

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澳大利亞Kiston水電站地下廠房圍巖穩定分析

陸健健 方 丹 姚新剛

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310002)

基于澳大利亞Kiston水電站地下洞室的地質勘查及設計資料，利用FLAC3D數值分析軟件，對地下廠房進行開挖支護模擬，分析了在無支護和系統支護工況下，開挖完成后圍巖的位移場、應力場、塑性區等的分布特征和演化規律，為地下廠房的開挖支護設計提供依據。

地下廠房，圍巖，數值模擬，開挖支護

1 工程概況

Kiston水電站是一座電站以調峰、填谷、調頻、調相、事故備用為主要開發任務的抽水蓄能電站。Kiston抽水蓄能電站項目位于北昆士蘭Kiston地區，地下廠房裝機規模為2×225 MW，工程由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房、開關站等建筑物組成。地下廠房軸線方向為N53°E，廠房埋深約280 m～330 m。主副廠房洞開挖尺寸為111 m×25.5(24) m×56.5 m(長×寬×高)，底板高程272.30 m，頂拱高程324.90 m。地下廠房區域內地形平緩，灌木發育。工程區域范圍內基巖主要為中元古代地層，巖性為Einasleigh變質巖(片麻巖)和oak河花崗閃長巖。

本文采用FLAC3D數值分析軟件，其利用的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值分析方法[1,2]，它可以模擬巖土或其他材料的三維力學行為，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域有其獨到的優點[3]。

FLAC3D設置了模擬開挖的“空”模型(null)，為了模擬噴錨支護結構，FLAC3D軟件提供了Cable桿單元來模擬錨桿支護，Shell殼單元來模擬噴混凝土。

2 計算條件

Kiston抽水蓄能電站廠址區域地勢平緩，廠區地應力是地質構造運動作用的結果，廠區巖體經歷了不同程度的卸荷作用過程，此過程伴隨著巖體發生不同程度的彈塑性變形，在該過程中巖體可能出現壓剪和張拉破壞。應力控制型圍巖失穩主要決定于初始地應力水平及巖石的強度。采用理想的彈塑性模型材料模擬巖體可以滿足分析的要求。故本計算中可以采用彈塑性的計算方法，應用莫爾—庫侖與張拉破壞準則結合的復合準則模擬這種外動力作用導致淺層巖體不可恢復的變形。

3 計算模型建立及參數選取

3.1 計算模型建立

計算模型采用ANSYS軟件建立，三維數值模型的范圍為：沿X軸和Y軸的計算范圍分別為164 m和169 m，豎直方向Z軸從高程209.3 m到地表，高度為330.7 m。三個坐標的方位分別為：X軸——軸向方位N37°W；Y軸——軸向方位N53°E；Z軸——按右手法則，與X軸和Y軸垂直，鉛直向上。由于地下廠房兩臺機組尺寸相同，計算模型僅取單機組段進行模擬，模型共含105 162個單元(廠房模型見圖1，整體模型見圖2)。

3.2 參數選取

依據工程地質相關研究成果和現場實際情況，結合類似工程經驗，確定計算中的巖體力學參數如表1所示。

表1 巖(土)體物理力學參數表

巖體分級容重/kN·m-3泊松比變形模量E/GPa抗剪斷強度f'C'/MPaⅡ27000.22151.21.3Ⅲ26500.25121.01.0

根據提供的地應力測試成果[4]顯示：測孔KDDH08測試深度為292.58 m時巖體最大水平主應力為22.37 MPa，最小水平主應力為10.9 MPa，屬于中高地應力區，該孔地應力測試成果可靠度高，可作為廠區地應力代表性測點。巖體最大水平主應力方向為N73.44°E，現場實測成果應力與廠區地應力場的分析是一致的，地下廠房區為以水平構造應力為主，最大水平主應力為最大主應力，并且最大水平主應力方向與主副廠房洞縱軸線方向呈20°，呈小角度相交，廠房軸線方位對圍巖穩定較為有利。本計算采用KDDH08測試成果施加初始地應力。

4 數值計算結果分析

4.1 無支護條件下圍巖穩定分析

1)圍巖變形。

開挖過程中廠房圍巖的位移場是在不斷演化的，總的來看：主副廠房頂拱鉛直向下變形，由于巖性較好，隨著開挖高度的增加，頂拱有一定程度的回彈，第四層開挖后頂拱變形趨于穩定。高邊墻向洞內收斂變形，隨著開挖高度增加圍巖變形逐漸增大，最大變形量值約20 mm，下游邊墻略大于上游邊墻。由于地下廠房以水平構造應力為主，表現為邊墻變形遠大于頂拱變形。圖3，圖4反映了洞室開挖完成后洞室頂拱及邊墻的變形趨勢。

2)圍巖應力。

洞室開挖完成以后，圍巖的應力場發生了明顯的改變，圖5，圖6為開挖完成后洞周圍巖應力分布圖。受區域水平構造應力場的控制，主副廠房頂拱有較明顯的應力包，頂拱擠壓明顯，最大壓應力約為12 MPa～16 MPa，拱肩由于應力集中，最大壓應力達到18 MPa。洞室四周應力松弛變化較均勻，上下游高邊墻應力松弛明顯，最小主應力約為1 MPa～2 MPa，局部出現拉應力，最大值為0.5 MPa，未超過邊墻巖體的抗拉強度值。

3)圍巖塑性區。

圖7為洞群開挖完成后洞周圍巖塑性區分布圖，主廠房頂拱塑性區深度一般為2 m～6 m，高邊墻圍巖塑性區深度一般約4 m～6 m，塑性區范圍總體不大。

4.2 支護條件下圍巖穩定分析

主廠房系統支護方案見表2。根據系統支護方案建立了洞室群的支護計算模型，錨桿支護斷面與單元模型分別見圖8，圖9。

表2 主廠房支護參數表

主廠房區域在系統支護條件下圍巖分層開挖完成后的位移場、應力場、塑性區分布見表3。現對系統支護條件下廠房開挖響應分析如下。

表3 無支護條件下與系統支護條件下洞室圍巖開挖響應統計表

4.2.1 圍巖變形

與無支護計算結果相比，支護后圍巖變形均有一定程度的減小，頂拱變形量減小10%左右；上下游邊墻的圍巖變形在支護后明顯減小，最大的降幅達到15%。圖10，圖11反映了系統支護條件下洞室開挖完成后洞室頂拱及邊墻的變形形態。

與無支護計算工況相比較，各關鍵部位圍巖變形基本上都是隨開挖進度的變化逐漸增加，但變形增量較無支護條件下均有一定的減小，表明支護結構對圍巖變形穩定有較好的控制作用。

4.2.2 圍巖應力

圖12，圖13為系統支護條件下洞室開挖完成后洞周圍巖應力分布圖。在支護條件下，主廠房的應力分布與無支護條件下基本一致，未發生明顯的變化。

4.2.3 圍巖塑性區

圖14為洞室群開挖完成后洞周圍巖塑性區分布圖，與無支護條件相比較，在支護條件下，洞壁圍巖塑性區深度減小明顯，可見噴混凝土及系統錨桿支護對圍巖塑性區擴展有較好的控制作用。

4.2.4 支護力

計算結果表明，主廠房頂拱錨桿拉應力在80 MPa～150 MPa之間，上下游邊墻錨桿應力在70 MPa～174 MPa之間，頂拱錨桿最大在廠房頂拱中部，邊墻錨桿應力最大在廠房邊墻中部，與圍巖最大變形位置一致。

5 結語

1)地下廠房區為水平構造應力為主的中高地應力場區，主廠房洞縱軸線方向與最大水平主應力方向呈20°夾角，呈小角度相交，對洞室邊墻圍巖穩定有利，地下廠房軸線方位布置合理；

2)地下洞室圍巖變形符合一般規律，隨洞室分層開挖進行，頂拱位移表現為先向下變形，再回彈，后趨于穩定；高邊墻圍巖變形隨開挖步逐漸增大，最大變形量值約20 mm；邊墻應力松弛區及圍巖塑性區分布深度均在可控范圍內，總體而言，無支護條件下地下廠房洞室群圍巖整體穩定，具備開挖地下洞室的良好成洞條件；

3)系統錨噴支護后對洞室群的整體變形規律沒有太大影響，但圍巖變形、邊墻應力松弛區及塑性區深度明顯減小，總體上，系統支護后洞室圍巖變形較小，圍巖塑性區深度較小，支護結構受力情況較好，表明支護參數擬定較合理，圍巖穩定性較好；

4)利用單一機組進行模型計算可以有效節約建模及計算時間，同時能得出圍巖變形、應力、塑性區隨開挖分部的大致規律，在可行性研究階段是比較好的計算方式；

5)本次計算只建立了單一機組段模型，對洞室開挖成洞及支護參數等進行了初步評價，隨著設計階段的深入，后期可根據地質條件、廠房布置情況進行整體模型的復核計算。

[1] 陳帥宇，周維恒，楊 強，等.三維快速拉格朗日法進行水布埡地下廠房的穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2003,22(7)：1047-1053.

[2] 梁海波，李仲奎，谷兆棋.FLAC程序及其在我國水電工程中的應用[J].巖石力學與工程學報，1996(3)：225-230.

[3] 王燦剛，張 云.FLAC3D在淺埋隧道穩定性分析中的應用[J].巖土工程界，2008,11(2)：50-51.

[4] 蔡美峰，喬 蘭，李華斌.地應力測試原理和技術[M].北京：科學出版社，1995.

1009-6825(2016)24-0080-04

2016-06-17

陸健健(1987- )，男，碩士，工程師

TU413.62

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