瑪爾擋水電站地下廠房洞室圍巖穩定三維有限元分析

章朝峰

摘要：在巖體結構模型概化的基礎上，采用三維有限元方法，系統地研究了瑪爾擋水電站地下廠房圍巖穩定變形、圍巖應力特征以及破壞區分布等特點。重點計算、比較了支護前后及考慮滲透情況下地下洞室群圍巖應力、變形和破壞區分布及塑性體積特征和變化規律。為洞室群穩定性評價和工程施工設計提供了參考依據。

關鍵詞：有限元法；地下洞室；圍巖穩定；瑪爾擋水電站

1工程背景

瑪爾擋水電站地下廠房、主變洞及尾閘井三大洞室采用平行布置方式，地下廠房埋深大約205m，縱軸線方向NW38。，開挖尺寸221×26×74m，最大開挖跨度約29m，圍巖為新鮮至微風化的石英二長巖（花崗巖），強度高，巖體為完整至較完整塊狀結構，結合緊密，其中圍巖類別主要以Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類，局部處于斷層破碎帶的巖石為v類。主變室及尾閘井位于厚層變質砂巖中，主變室開挖尺寸179×20×24.5m。

2有限元分析模型

地下洞室有限元模型如圖1所示，三維整體模型有限元網格如圖2所示，邊界條件為模型底面和側面均為固端約束，模型上部為地表自由表面。計算域邊界需滿足洞室周圍巖石厚度不少于5.5倍開挖跨度的要求，距離地表不足4倍開挖跨度時算至地表。計算域內包括主廠房、母線洞、主變開關室、尾閘室、引尾水洞等洞室。

3物理力學參數選取

結合PD18、PD02平硐、鉆孔揭露及地表測繪，地下廠房區主要發育NNW向、NNE向高傾角結構面及緩傾角結構面。圍巖為新鮮至微風化的石英二長巖（花崗巖）其強度高，巖體為完整至較完整塊狀結構，結合緊密，其中圍巖類別主要以Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類，局部處于斷層破碎帶的巖石為v類。其中地下廠房洞室圍巖參數選取見表1。

根據樞紐布置，右岸二長巖地下廠房方案主廠房位于二長巖內，主變室部分位于二長巖中，部分位于變質砂巖中，尾閘井位于變質砂巖內。

4圍巖穩定性評價方法

錨桿安全的評判：

本報告采用錨桿的實測拉拔力應小于錨桿的允許拉拔力來評判錨桿安全與否。影響錨桿拉拔力的主要因素有錨桿的直徑、長度、鋼的抗拉強度、圍巖類別以及錨桿與巖體間粘結材料的強度，所以在計算錨桿的允許拉拔力時應當考慮這些因素的綜合影響。

5結論

本文根據對瑪爾擋水電站地下廠房洞室群的三維非線性有限元分析，得出在近似地下工程進行三維有限元計算過程中遇到諸如上述常規性的問題時。其中主要結論和建議如下：

首先，對瑪爾擋地下廠房群的三維計算能考慮斜交于洞軸的較大主應力影響，用二維計算代替三維分析并不總能得出偏于安全的結論。

其次，考慮到理論模型與數值精度之間存在的誤差。在進行實際工程的三維計算時，單元格可不必劃分得過多，采用的理論模型也可以不必太過復雜。endprint