非洲某水電站母線豎井圍巖穩定分析

劉 寅，馮 飛，屈 潔

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

非洲某水電站母線豎井圍巖穩定分析

劉 寅，馮 飛，屈 潔

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

結合非洲某工程實際，利用PHASE2軟件，通過平面計算和軸對稱計算，對此項目長達142.3 m的母線豎井進行圍巖穩定分析。根據計算結果，確定不同類別圍巖的支護形式，為豎井圍巖穩定性評價和支護設計方案的選擇提供了一種新的方法。關鍵詞：母線豎井；圍巖穩定；支護形式；有限元計算；PHASE2

0 前 言

隨著水利水電工程的發展。作為一種典型的廠房結構，地下廠房已經日益普遍地出現在各類水電站之中。其中圍巖穩定問題是地下洞室中最為突出的問題之一。關于地下廠房主變的布置，常規有2種形式，一種將主變布置在平行于主廠房的主變洞內，另一種則通過母線豎井將母線引出至地面，接入位于地面的主變。本文以非洲某水電站長達142.3 m的豎井為模型，通過有限元圍巖穩定分析，確定其支護形式。

PHASE2是由加拿大Rocscience公司推出的巖土專用計算軟件，該軟件主要用于計算邊坡及地下洞室開挖后巖土應力、應變和位移狀況。軟件特性：可分析平面應變問題和空間軸對稱問題；材料的本構模型包括了彈性模型、Mohr-Coulomb模型[2]和Hoek-Brown模型[3-4]等備用的模型；可模擬多種具有不同力學特性的材料；可以進行不同開挖階段的模擬[5]；可考慮均勻場力單獨作用[6]、重力單獨作用和二者同時作用下的地應力分布[7]；可以對開挖面噴混凝土、開挖面施加錨桿、錨索等支護加固措施的效果進行分析計算[8]。

1 計算思路

以往常用的平面計算只能在二維層面考慮問題，這種情況下，在空間上的問題得不到解決。例如，對于一個豎井，平面計算只能考慮豎井在某一高程、一個特定斷面的結果，但是無法考慮此斷面高程以上或以下范圍內的影響，往往會造成計算結果偏小。

因此對于圓形的豎井，且四周圍巖類別基本成水平分布，可以考慮用軸對稱計算來模擬此類情況。軸對稱計算是用二維模型來模擬一個關于某個軸圓周對稱的三維模型。可以用較少的計算資源(二維單元)，模擬三維問題，考慮空間上整個結構的穩定性。此計算方法雖然在適用條件上不如平面模型廣泛，但只要滿足其邊界條件，計算結果較平面模型更加趨于實際情況。

2 母線豎井概況

本工程母線豎井總長142.3 m，外徑7 m，下部連接廠房內部母線室，上部連通主變平臺，母線豎井部位地表堆積殘坡積塊石碎石土，結構松散，局部架空，厚度小于15 m，需清除；母線豎井自上而下穿過強風化石英黑云母片麻巖和石英巖、中風化石英巖以及微風化～新鮮的石英黑云母片麻巖，片麻理發育，片麻理產狀因巖體揉皺而變化較大，主要有NE70°～83°SE∠20°～30°。母線豎井縱向需要穿越強風化、中風化和弱風化3類圍巖。根據地質鉆孔資料顯示，在41.5 m以上為強風化；強風化與中風化之間，有厚度約為1 m的軟弱夾層帶；中風化厚度約為33 m，以下均為弱風化圍巖。各類圍巖的參數見表1。對于計算中各種支護的參數取值，見表2。

表1 圍巖力學參數表

表2 支護參數表

初步設計對于強風化圍巖(Ⅳ類圍巖)采取布置長3 m、間距1.5 m、直徑25 mm的錨桿支護，并設有100 mm厚掛網噴混凝土；對于中風化圍巖(Ⅲ類圍巖)采取布置長3 m、間距2 m、直徑25 mm的錨桿支護，并設有100 mm厚掛網噴混凝土；對于弱風化圍巖(Ⅱ類圍巖)僅進行100 mm厚掛網噴混凝土。

3 平面模型計算結果

計算使用PHASE2軟件進行平面計算，采用摩爾庫倫非線性模型進行巖體參數的定義，計算模型四周采用法向約束。根據以往的計算經驗，當計算模型四周的厚度達到一定程度，就不會對計算結果產生影響。因此模型在高度方向和長度方向上均取為5倍的豎井開挖直徑，即為40 m。整個模型采用三角形單元劃分，共有節點2 097個，單元4 354個，計算模型見圖1。

為了計算開挖后圍巖穩定性，需要考慮初始應力。在平面模型中，計算的初始應力由豎向地應力得到。根據圍巖深度的不同，不同類別圍巖計算時的初始應力場有所不同。

圖1 母線豎井縱剖面圖

根據圍巖深度，圍巖的豎向應力大小為：

(1)

式中：σv為豎向應力；γ為巖石容重；H為巖體深度。

水平向圍巖壓力為：

(2)

式中：σh為豎向應力；μ為巖石泊松比。

計算模型輸入各類荷載和支護條件后，其計算結果分析如下：

(1) 強風化圍巖在有支護的情況下，出現的最大壓應力為0.76 MPa，遠小于圍巖的強度。豎井的最大位移值為0.45 mm，此數值很小。因此認為對于強風化圍巖，其支護形式的選取能夠滿足要求，圍巖在支護后穩定。

(2) 中風化圍巖在有支護的情況下，出現的最大壓應力為1.17 MPa，遠小于圍巖的強度。豎井的最大位移值為0.28 mm，此數值很小。因此認為對于中風化圍巖，其支護形式的選取能夠滿足要求，圍巖在支護后穩定。

(3) 弱風化圍巖在有支護的情況下，出現的最大壓應力為1.8 MPa，遠小于圍巖的強度。豎井的最大位移值為0.3 mm，此數值很小。因此認為對于弱風化圍巖，其支護形式的選取能夠滿足要求，圍巖在支護后穩定。

根據以上計算結果分析，圍巖開挖后，無論是第1主應力還是第2主應力的數值都不大，且圍巖的變形值很低，并且塑性區幾乎不可見。因此認為支護設計基本合理，圍巖在開挖后不存在失穩的危險。

4 軸對稱模型計算結果

軸對稱計算模型，可以用二維模型來模擬一個關于某個軸圓周對稱的三維模型。這種計算比二維平面計算要更加準確，特別是能夠反映在不同高度下圍巖的穩定特性。

根據實際設計的母線豎井，建立軸對稱模型，對稱軸為母線豎井中心線。

計算的材料依然使用摩爾庫倫模型，模型底部和兩側都使用法向約束。

通過計算結果可以看出，最大壓應力為5 MPa，遠小于圍巖的強度。豎井的最大位移值為3 mm，此數值很小。因此認為對于強風化圍巖，其支護形式的選取是能夠滿足要求的，圍巖在支護后是穩定的。

對比平面計算結果，軸對稱模型計算的結果相對較大，但總體數值比較接近，所得結論也是一致的。此類計算結果同圍巖參數、豎井的深度和直徑關系密切，可以看出，如果僅考慮平面計算結果，在一些地質條件較差、地應力較大的區域，也許會得到與實際情況相違背的結果。但通過軸對稱計算，可以充分地反映出三維空間上圍巖的穩定性，其計算結果要更加真實。

5 結 語

根據平面和軸對稱模型的計算結果，對于圍巖進行的支護設計是合適的，能夠滿足安全要求。此工程中，雖然2種計算所得結果相同，但可以看出軸對稱模型計算結果較平面模型計算結果大。這種大是考慮了三維空間影響得到的結論，是合理的，更加趨向于真實的情況。

平面計算模型可以在任何條件下使用，其適應性較強。而對于軸對稱模型，首先必須是圓形隧洞，并且在周邊是對稱的，一旦在計算范圍內有其他洞室存在，就無法考慮這些因素，會使得計算的邊界條件不準確，無法保證計算結果的真實性。

因此，在后續工程中，在滿足軸對稱模型計算邊界條件要求的前提下，使用此種計算能夠更加真實地反映實際情況。如果邊界條件不能夠滿足，可以用平面模型作為基本計算，軸對稱計算作為復核計算，在相互驗證之后，找到最為經濟和合理的支護設計，從而收到良好的經濟效益。

[1] 華東水利學院.巖石力學[M].北京：水利電力出版社，1986.

[2] 韓瑞庚.地下工程新奧義[M].北京：科學出版社，1987.

[3] HOEK E，BROWN E T. Practical estimates of rack mass strength[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science，1998,38(08):1165-1186.

[4] R.K.Goel，Bhawani Singh.Rock mass classification [M].ELsevier Science Ltd，1999.

[5] 李杰,郭海燕,劉凌云,牟桂杰.丈八口隧道圍巖穩定分析[J].巖土力學，2004(S2)： 537-541.[6] 王立忠,胡亞元,王百林,陳云敏.崩塌松散圍巖隧道施工穩定性分析與監控[J].巖石力學與工程學報，2003,22(04)：79-85.[7] 何欣,曹懷園,劉永智,劉潔玉.Phase2軟件在隧洞開挖圍巖支護時機中的應用[J].西北水電，2015(03)：57-61.

[8] 溫森,楊圣奇.基于Hoek-Brown準側的隧洞圍巖變形研究[J].巖土力學，2011,32(01)：70-76.

[9] 高凱,王林維，郭建宏.云南某水電站地下洞室圍巖穩定性分析[J].西北水電，2015(05)：33-37.

[10] 石高峰.基于Phase2的地下廠房及尾調室開挖與支護設計[J].水力發電，2015(12)：63-67.

Analysis on Stability of Surrounding Rock of Basbar Shaft

LIU Yin, FENG Fei, QU Jie

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

In combination with the practice of one African project and by application of PHASE 2 software, stability of the surrounding rock of the 142.3 m long busbar shaft of the project is analyzed through plan calculation and axis symmetry calculation. According to the calculation results, supports modes for different surrounding rocks are finalized, this provides stability assessment and support design scheme of the shaft surrounding rock with a new method.Key words:basbar shaft; stability of surrounding rock; support mode; calculation by finite element method; PHASE2

1006—2610(2016)06—0094—03

2016-11-18

劉寅(1987- )，男，河北省秦皇島市人，助理工程師，主要從事水利水電工程設計工作.

TV554;TU457

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.024