陽江抽水蓄能電站地下廠房區地應力場特征分析

劉普勝，李俊清，張琪琦

(1. 廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635；2. 南方電網調峰調頻發電有限公司，廣東 廣州 510360)

工程實踐表明，地應力是巖體工程設計和施工的重要基礎資料之一，也是各種開挖地下工程變形和破壞的根本作用力。準確識別地應力場分布特征是進行巖體工程穩定性評價、實現地下工程順利建設、安全運營以及決策科學化的前提。工程區域地應力可由水壓致裂法、應力解除法、應力恢復法及聲發射等直接方法測得[1-2]，但是采用上述方法獲得的地應力成果往往反映的是局部地應力場特征，且具有一定的離散性[3]。為此，基于實測地應力成果，采用有效的分析方法對工程區巖體進行初始應力場反演已成為獲取較為合理的、范圍更大的地應力場主要手段。姚顯春等根據現場地應力測試結果與緊隨開挖過程的圍巖變形監測資料進行系統反演分析，獲得了拉西瓦水電站廠房區域三維地應力場分布特征[4]。張新輝等采用基于三維有限元模擬的多元回歸分析方法，對地應力實測資料進行了回歸擬合，獲得了卡里巴水電站地下廠房工程區應力場的分布規律[5]。黃書嶺等提出了大型地下廠房區域地應力場多源信息融合分析方法和思路，并將其應用于官地水電站地下廠房區域的地應力場特征及其分布規律的分析中[6]。何少云等基于地應力實測結果，采用多元線性回歸方法和三維有限差分法，對文登抽水蓄能電站地下廠房區域的初始地應力場進行了反演分析，獲得了工程區域的地應力場分布特征[7]。

陽江抽水蓄能電站位于廣東省西部的陽江市，為Ⅰ等大(1)型工程，地下廠房洞室群的開挖規模大，地下廠房開挖后邊墻及交叉部位的應力集中及圍巖穩定性問題突出。本文將陽江抽水蓄能電站地下廠房初始應力場量化模型與地下廠房洞室群精細計算模型耦合成一個模型，構建了地下廠房地應力場精細計算量化模型，并依據陽江抽水蓄能電站地應力實測成果，采用側壓系數法進行三維數值仿真計算，獲得了陽江抽水蓄能電站地下廠房區域初始地應力場特征及地下廠房洞室群開挖后的圍巖應力場分布規律。目前，我國抽水蓄能電站建設已進入全面發力階段，以滿足我國的電力需求[8]。研究蓄能電站深埋的地下廠房區域地應力場特征對全面推進抽水蓄能電站建設具有重要意義。

1 地下廠房洞室群工程概況

陽江抽水蓄能電站總裝機規模2400MW，采用近、遠兩期建設，近遠兩期裝機規模均為1200MW。陽江抽水蓄能電站發電系統的地下廠房洞室群主要包括主副廠房、主變洞、母線洞、尾水閘門廊道、尾閘運輸洞、高壓電纜洞、交通洞、進風豎井、排風豎井、排水廊道以及地面開關站。主機間的尺寸為88.5m×27.5m×60.2m(長×寬×高)，安裝場的尺寸為44m×27.5m×26.95m(長×寬×高)，副廠房的的尺寸為24m×27.5m×50.9m(長×寬×高)。

2 工程區三維地質概化模型

依據地質勘察資料和洞室施工開挖步序，建立了三維地質概化模型，計算模型范圍為460m×480m×700m(X×Y×Z)，其中x軸平行于主廠房軸線，從2#機組中心點指向1#機組中心點方向為正；y軸平行于水流方向，且指向下游方向為正；z軸鉛直向上，底部高程為-200m(服從右手法則)。計算區域包含了引水洞、主廠房、副廠房、安裝間、母線洞、主變室、尾水洞、尾閘室、風機室、交通洞、3#施工支洞、6#施工支洞、高壓電纜洞、尾閘室運輸洞以及穿越地下洞室群的2條主要斷層f710、f711。模型內各巖層均采用實體單元模擬。計算模型及網格劃分如圖1所示，地下廠房洞室群與f710、f711斷層的關系如圖2所示，共劃分單元634218個，節點106614個。

3 初始計算條件

3.1 巖體本構模型及力學參數

計算中本構模型采用以帶拉伸截止限的MohrCoulomb強度準則為屈服函數的理想彈塑性模型。計算參數見表1，取表1中各巖層和斷層的物理力學參數建議值的中值。

圖1 地下廠房洞室群三維數值分析模型

表1 巖體物理力學參數表

圖2 地下廠房洞室群與斷層f710、f711的空間關系

3.2 地下廠房分層開挖方案

陽江抽水蓄能電站地下廠房洞室群開挖遵循“先洞后墻”的開挖原則，兩大洞室頂拱開挖總體按廠房頂拱先開挖，主變洞頂拱滯后跟進開挖的程序進行，如圖3所示。

圖3 地下廠房分層開挖方案示意圖

3.3 洞室群支護措施與支護參數

洞室群支護措施和支護參數見表2，三維數值計算分析時，支護系統的錨(索)桿采用快速拉格朗日數值計算程序中提供的結構單元cable單元來模擬。

表2 地下廠房洞室群基本支護參數

4 初始地應力場分析

為研究陽江抽水蓄能電站工程區的地應力場，2005年8月—2006年7月，長江科學院、中國地震局地殼應力所先后在中平洞、地下廠房、高壓岔管等部位的多個鉆孔進行了深孔套芯應力解除法和水壓致裂法地應力測試[10-11]。李永松等[12]根據工程勘察初期的地應力實測資料，結合該工程的地形地貌及地質資料進行了工程區三維地應力回歸分析，獲得了計算域內的地應力場，并就最新工程布置的關鍵位置進行了應力插值計算。地下廠房各插值點的插值結果見表3。由表3插值結果可知，地下廠房區巖體最大水平主應力為13.5～14.8MPa，最小水平主應力為9.1～10.0MPa，鉛直應力為12.2～14.6MPa，應力場主要呈σH≈σz>σh特征。地下廠房區巖體最大水平主應力方位為300°左右，與設計方案中的廠房軸線(N60OE)的夾角較大(60°)。

根據地下廠房插值結果，采用側壓系數法進行三維數值計算以獲得地下廠房區域初始地應力場特征。分析計算時，側壓系數組合為：λx=0.80，λy=0.97，λxy=-0.15，λyz=-0.19，λxz=-0.08。計算獲得的典型剖面主應力矢量及等值線分布如圖4—6所示。數值計算結果表明，地下廠房區域最大主應力一般為13～16MPa，最大主應力水平方位為一般為300°，最小主應力一般為8～10MPa，屬于中等地應力水平。

圖4 地下廠房沿主廠房縱軸線切面主應力矢量分布

表3 廠房區域地應力測點轉換應力分量 單位：MPa

圖5 地下廠房順水流方向切面主應力矢量分布

5 地下廠房洞室群開挖后圍巖應力場分析

結合上述獲得的初始地應力場、洞室群支護措施及相應的支護參數等計算條件，運用快速拉格朗日方法(FLAC3D)對地下廠房進行開挖全過程三維彈塑性數值仿真分析，以獲得地下廠房洞室群開挖后的圍巖應力場分布特征。計算中考慮了兩種方案：①推薦開挖方案下毛洞分層分期開挖計算；②系統錨桿方案下的分層分期開挖計算。

圖6 地下廠房水平切面主應力矢量分布

兩種不同方案下的地下廠房洞室群典型斷面最大、最小主應力等值線分布分別如圖7—8所示。地下廠房洞室群整體開挖完成后，受下臥卸荷作用，應力場不斷調整。對于主廠房，方案①和方案②的最大主應力量值分別為-41.8MPa和-42.1MPa，應力集中區主要分布在下游側拱座、機窩與尾水洞交叉口、機窩隔墩部位，應力松弛區主要分布在上、下游邊墻部位，方案①和方案②最大拉應力值分別為1.69MPa和1.53MPa。對于主變洞，方案①和方案②的最大主應力量值分別為44.8MPa和46.5MPa，應力集中區主要分布在下游側拱肩、墻角部位，應力松弛區主要分布在底板及上游邊墻部位、主變洞與母線洞交叉部位，方案①和方案②最大拉應力值分別為1.58MPa、1.23MPa。對于尾閘室，方案①和方案②的最大主應力量值分別為25.6MPa和25.8MPa，應力松弛區主要分布在上下游邊墻部位，基本沒有出現拉應力區。

圖7 方案①地下廠房區域典型剖面洞周主應力分布圖

圖8 方案②地下廠房區域典型剖面洞周主應力分布圖

對于硬巖而言，在當前層開挖之后、支護措施施加之前的這段時間內，圍巖應力場的調整基本上已經完成了，因此，方案②對洞周應力分布影響有限；當前層支護系統的施加，對當前層淺表部位的應力狀態有一定的改善，具體表現為考慮支護措施后，圍巖最大拉應力值有所降低；此外，隨著錨桿等支護的施加，圍巖開挖所釋放的能量相對減小，使得應力集中程度有所增加，但增加幅度較小。

6 結語

采用側壓系數法進行三維數值仿真分析計算表明，陽江抽水蓄能電站地下廠房區域初始地應力場特征及地下廠房洞室群開挖后的圍巖應力場分布規律如下：

(1)地下廠房區域初始地應力場主要呈σH≈σz>σh特征，最大主應力一般為13～16MPa，最大主應力水平方位為一般為300°，最小主應力一般為8～10MPa，屬于中等地應力水平。

(2)洞室群開挖完成后，應力集中區主要分布在主廠房的下游拱肩(拱座)、機窩與尾水洞的交叉口、機窩隔墩等部位。毛洞方案下主廠房主壓應力一般為2～25MPa，最大主壓應力41.8MPa；拉應力區主要分布在上、下游邊墻部位，最大拉應力1.69MPa。采取支護措施后，圍巖淺表部位的應力狀態有一定的改善，具體表現為圍巖最大拉應力值有所降低；洞室圍巖主應力值有所增加，主要是由于隨著錨桿等支護的施加，圍巖開挖所釋放的能量相對減小，使得應力集中程度有所增加。

本文研究方法和相關成果可為同類工程提供借鑒，后期可根據實際開挖和支護情況獲取監測數據進行反饋修正。