地應力對地下廠房圍巖穩定性影響的三維有限元分析

李春輝，任哲明，王洪洋，劉天鵬

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130061；2.水利部寒區工程技術研究中心,吉林 長春 130061）

1 引言

抽水蓄能是構建新型電力系統的關鍵支撐,加快建設抽水蓄能電站對促進新能源高效開發利用、電力系統安全穩定運行、如期實現“雙碳”目標意義重大,因此對抽水蓄能電站相關研究與日俱增[1-4]。一般大型抽水蓄能電站所處地質環境復雜,洞室縱橫交錯,且地下洞室被斷層切割,由于斷層于地下洞室相交的任意性,很難正確模擬斷層對洞室圍巖穩定的影響。

興城抽水蓄能電站地下廠房洞室具有跨度大、邊墻高、洞室數量多、交叉多、工程布置集中等特點,為確保地下結構的穩定性及安全性,對洞室群的圍巖穩定性進行綜合評價,重點關注大跨度洞室高邊墻、主廠房與主變隔墻、頂拱、洞室交叉口、軟弱夾層、地質構造帶和其它重要部位巖體結構的安全穩定問題,為合理選擇地下廠房洞室的開挖方式、支護方式、支護參數等提供依據,對工程的經濟性和安全性有著非常重要的意義。

地下工程的失穩主要是由于開挖引起的應力重分布超過了圍巖強度或引起圍巖過分變形而造成的。應力重分布是否會達到危險的程度與地應力的方向、量值和性質關系密切。初始地應力場分布影響了大型地下洞室群的變形破壞模式,進而影響地下洞室群的開挖支護設計方案,是大型地下洞室群安全建設的基礎數據,也是影響地下洞室穩定的因素之一。因此揭示大型地下洞室群地應力場的分布規律十分必要[5]。

2 計算原理

2.1 支護模擬

對于錨固機理及對巖體力學性能的改善,國內外學者做了大量的研究和模型試驗。興城抽水蓄能電站地下廠房系統圍巖穩定計算,采用實體模型方式和虛擬錨桿方式相結合的方法模擬洞周支護。廠房巖壁吊車梁的抗拉、抗壓錨桿用實體模型方式模擬,廠房、主變室與尾閘室洞周的系統錨桿則采用虛擬錨桿的方法模擬,以提高洞周支護圍巖材料性能的方式實現。

錨固巖體的等效凝聚力：

式中：C巖體為巖體的凝聚力；τ、S 分別為錨桿材料的抗剪強度和橫截面積；a、b 為錨桿的縱橫向間距；η為綜合經驗系數。

2.2 斷層模擬

興城抽水蓄能電站所處地質條件好,只有一條較大斷層fk41通過主廠房、主變洞、母線洞及尾水管,本計算將fk41斷層模擬成實體單元,即物理力學性能較差的“軟單元”。這種方法將斷層模擬為均勻的連續體,位移及應力均可傳遞,雖無法模擬斷層的閉合或張開狀態,但由于“軟單元”的力學性能較差,因此也能近似地模擬斷層的作用。此方法簡單易行,計算時更容易收斂,在有限元分析中多為工程界所采用。

2.3 地應力反演模型

一般認為廠址區域的實測初始地應力及其所反映的初始地應力場是下列變量的函數：

式中：σ 為初始地應力值,三維問題代表六個應力分量；x,y,z為地形和地質體空間位置坐標系,可由勘探資料獲得；E,μ,γ分別為巖體的彈性模量、泊松比和容重；Δ為自重因素；U,V,W為地質構造作用因素；T 為溫度因素。

采用彈性工作狀態下的線性疊加原理,計算各點的初始地應力值：

式中：Li（i=1,2,3,…）為回歸系數；εk為觀測誤差。

3 計算模型及參數

3.1 地應力反演模型

依據區域地表等高線圖和前期勘察資料,參考廠址區所在地理位置,以洞室群為核心向外擴展適當范圍,建立興城抽水蓄能電站廠址區域初始地應力場反演的三維數值計算模型,模型范圍遠大于后期洞室群開挖影響范圍。數值計算模型采用四面體網格,單元總數224 萬,節點總數39.8 萬,fk41斷層寬度3 m。三維地質模型參見圖1。

圖1 興城水電站廠址區域地應力場反演用三維數值計算模型

3.2 有限元模型

計算模型包括廠房區域巖體、廠房洞室、主變室、尾閘室、母線洞、尾水洞,以及廠房洞室的巖壁吊車梁和吊車梁錨桿。地下廠房洞室群的有限元模型見圖2。按照興城地下廠房區域的地質情況,建立開挖洞室群及圍巖的基本力學模型,模擬其巖體性質、斷層等地質構造。實測及反演計算出的地應力則作為邊界條件施加到模型上。分析模型模擬了洞室群周邊圍巖,向底部和四周各擴展廠房洞高3 倍以上,頂部取至山頂,計算模型共化分單元47.4 萬個,節點8.7 萬個,整體計算模型見圖3。

圖2 地下廠房洞室群的有限元模型

圖3 整體計算模型

3.3 材料參數

綜合考慮地下水、巖脈及節理裂隙等因素,計算中巖體力學參數取值為Ⅱ和Ⅲ類的平均值,斷層采用Ⅳ類,物理力學參數見表1。采用強度等效的方法模擬系統錨桿支護,即將支護圍巖的彈模提高10%,凝聚力和摩擦系數提高5%。

表1 計算中采用的物理力學參數

4 計算成果分析

4.1 地應力分析

4.1.1 實測地應力分析

圖4 和圖5 分為ZK212 鉆孔和ZK216 鉆孔各測試段壓裂過程中的壓力－時間記錄曲線。

圖4 ZK212 孔壓力記錄曲線

圖5 ZK216 孔壓力記錄曲線

結合主應力方向測量結果,由ZK212 及ZK216 孔地應力實測數據分析表明,興城抽水蓄能電站地下洞室群區域總體上最大主應力量值為10.71 MPa～15.68 MPa,方位近于正Z 軸指向（NE62°04'44''）,這與測試鉆孔附近的最大主壓應力方向以NEE 向為主,水平最大主應力優勢方向為N55°～66.7°E 測試結果相近。

4.1.2 地應力反演分析

圖6 為計算獲得的主廠房、主變洞和尾閘間三個洞室沿軸線縱剖面的最大主應力和最小主應力云圖。

圖6 典型剖面地應力場應力云圖（黑色虛線框為地下洞室群區域）

反演結果表明,廠房區、主變室和尾閘間最大主應力量值為10 MPa～14 MPa,最大主應力優勢方向為N60°～65°E,中間主應力量值為6.0 MPa～10.0 MPa,最小主應力量值為5.0 MPa～7.5 MPa；斷層附近主應力出現突變,略有降低。

4.2 圍巖穩定計算結果

4.2.1 以實測地應力為邊界條件的圍巖穩定分析

如圖7,廠房洞室周邊的最大拉應力為1.00 MPa,出現在主廠房洞室開挖第一步。廠房洞室周邊的最大壓應力為34.00 MPa,出現在第三開挖步廠房下游邊墻處。主變室洞周最大拉應力1.00 MPa,出現在第三開挖步主變洞上游邊墻處。主變室洞周最大壓應力28.00 MPa,出現在主變室第五開挖步的上游邊墻。尾閘室洞周最大拉應力2.00 MPa,出現在第四開挖步的尾閘室底板處。尾閘室洞周最大壓應力18.00 MPa,出現在第六開挖步的洞室下游邊墻處。

圖7 以實測地應力為邊界條件的應力云圖

4.2.2 以地應力反演結果為邊界條件的圍巖穩定分析

如圖8,開挖過程中廠房洞室最大拉應力為1.10 MPa,位于開挖全部完成后的廠房底板。廠房洞周的最大壓應力為32.00 MPa,位于第三開挖步的廠房下游邊墻。主變室洞周最大拉應力1.20 MPa,位于第五開挖步的主變室下游邊墻。主變室洞周最大壓應力25.00 MPa,出現在第六開挖步及之后的上游邊墻。尾閘室上、下游邊墻拉應力較大,洞周最大拉應力1.50 MPa,出現在首次開挖的洞室底板。尾閘室洞周最大壓應力18.00 MPa,出現在第六開挖步的洞室底板以及開挖完成后的洞室頂拱。

圖8 以地應力反演結果為邊界條件的應力云圖

圖9 兩工況塑性區分布對比圖

4.2.3 不同地應力圍巖穩定分析

兩種地應力條件下,三大主體洞周主應力的極值列于表2。表2 中可見,以地應力反演計算得到的地應力場為邊界條件時,三大主體洞室洞周應力基本略有減小。兩種地應力場作用下,洞周圍巖的應力規律基本一致,反演計算的地應力值略低。

5 結論

本文采用水壓致裂法進行實測地應力分析,并對地應力場反演,得出實測地應力值及反演值。基于有限元方法,分別以實測地應力和地應力反演結果為邊界條件,計算分析了地應力對地下洞室群圍巖穩定性的影響,結果表明地下洞室應力場受初始地應力條件的影響,地應力反演計算得到的地應力場較實測地應力略小。以地應力反演計算得到的地應力場為邊界條件時,三大主體洞室洞周應力基本略有減小,塑性區略有減小。兩種地應力條件下,洞周圍巖的應力規律基本一致,均滿足設計要求。