某水電站地下廠房洞室開挖方案優化

摘要：根據某地下廠房結構特點及地下廠房洞室群的優化在巖體結構模型概化設計，提出了地下廠房的2種開挖方案，并對這兩種開挖方案進行對比及優化分析，得出兩種開挖方案下洞室圍巖變形和應力情況。對各種布置方案、支護措施、施工開挖程序采用三維彈塑性損傷有限元對廠房地下洞室群圍巖穩定進行了分析論證。根據數值分析的論證結果，結合工程實際情況，提出了符合工程要求的實施方案，使理論分析與工程實際得到了有機的結合。

關鍵詞：有限元法；地下洞室；圍巖穩定；某水電站

某水電站地下廠房、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，圍巖為新縣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，其中威嚴類別主要以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。

1 開挖方案

1.1 開挖方案一

方案一 地下洞室開挖順序示意圖

根據開挖方案一，開挖完成后分析結果如下：

開挖完成后主廠房上游邊墻變形最大，拱頂變形相對較小，最大變形量為27mm；主變室拱頂變形最大，邊墻變形相對較小，最大變形量為26.2mm；尾閘室下游邊墻變形最大，拱頂變形相對較小，最大變形量為26.8mm。

根據開挖方案二，開挖完成后分析結果如下：

開挖完成后主廠房整體受壓，最大壓應力出現在上游拱邊，最大壓應力為17.0MPa。主變室邊墻受壓，最大壓應力出現在下游拱邊，拱頂局部出現小于0.2MPa的拉應力；尾閘室拱頂受壓，邊墻局部出現小于0.7的拉應力。

2 開挖方案對比及優化分析

對兩種方案的對比分析如下：

（1）兩種開挖方案開挖程序對比：方案一廠區分9步開挖，將主廠房C11、C12、C13同時開挖，變電室Z11、Z12同時開挖，且廠區每個臺階開挖主要以一步開挖為主，渭水洞為全斷面開挖；方案二廠區分15步開挖，主廠房C11、C12分布開挖，變電室Z11、Z12也分布開挖，在開挖影響較大區域臺階是分步開挖。

（2）兩種開挖方案下廠區圍巖關鍵位置變形對比分析：方案一開挖完成后變形最大位置在主廠房上游邊墻，其值為270mm；主廠房拱頂變形值為19.7mm，下游邊墻變形值為137mm，底板變形值為18.7mm；變電室拱頂變形值為262mm，上游邊墻變形值為21.9mm，下游變形值為26.8mm，底板變形值為3.4mm；方案二開挖完成后變形最大位置在主廠房上游邊墻，其值為32.6mm；主廠房拱頂變形值為4.6mm，下游邊墻變形值為30.6mm，底板變形值為1.3mm；變電室拱頂變形值為0.5mm，上游邊墻變形值為1.6mm，下游變形值為182mm，底板變形值為7.7mm。通過對以上兩個方案的對比可知兩種開挖方案下地下洞室洞周圍巖關鍵位置的變形量差別不大，兩種方案最大變形都發現在主廠房上游邊墻處，方案一最小變形發生在尾閘室底板處，方案二最小變形發生在變電室拱頂處，兩種方案的變形量均在允許范圍內，故兩種開挖方案均可行，建議綜合考慮其他方面決定采用開挖方案。

3 總結

兩種開挖方案下廠區圍巖應力對比分析：方案一開挖完成后廠區圍巖主要以壓應力為主，局部存在拉應力；最大壓應力位置為上游拱邊，其值為17.0MPa，最大拉應力位置為尾閘室上游邊墻，其值為0.51MPa；廠區圍巖其余關鍵位置應力分布較為均勻；方案二開挖完成后廠區圍巖主要以壓應力為主，局部存在拉應力；最大壓應力位置為上游拱邊，其值為18.1MPa，最大拉應力位置為尾閘室上游邊墻，其值為0.72MPa。

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作者簡介：章朝峰（1988），男，碩士，江西撫州人，江西水利職業學院。