忠玉水電站地下洞室群開挖對圍巖穩(wěn)定性影響及支護研究

關鍵詞：地下洞室群；地應力；數(shù)值模擬；圍巖穩(wěn)定性；支護措施；忠玉水電站

中圖法分類號：TV554 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki. slsdkb.2025.08.009文章編號：1006-0081（2025）08-0055-06

0 引言

大型水電站作為可再生能源的重要組成部分，在能源結構中扮演著越來越關鍵的角色。然而，大型水電站項自往往伴隨著大量的地下洞室群建設，地下洞室群的安全高效建設是水電站安全建設和運維的關鍵[1-4]

學者們就地下洞室開挖的圍巖穩(wěn)定性問題開展了大量的研究。陳磊等[5以白鶴灘水電站地下廠房施工為研究對象，分析支護結構裂縫成因，發(fā)現(xiàn)裂縫主要由高邊墻施工應力集中而引起，可通過早期開挖、支護、補強和監(jiān)測等措施預防。李春輝等[通過有限元法，結合實測和反演地應力，對地下洞室群圍巖穩(wěn)定進行數(shù)值計算，為支護方式和參數(shù)的選擇提供依據(jù)。方丹等采用離散元方法構建節(jié)理巖體數(shù)值模型，在此基礎上對水電站地下洞室群開挖后的圍巖穩(wěn)定性及洞室之間的安全距離進行研究。此外，巖體力學參數(shù)對地下洞室穩(wěn)定性至關重要。黃鵬等[8結合施工進度、巖體卸荷和地質信息，構建了一種多維動態(tài)反演方法，實現(xiàn)了對施工期圍巖力學參數(shù)的實時反演，為支護方案的優(yōu)化提供了科學依據(jù)。張強勇等9以大崗山水電站地下廠房洞室群為研究對象，提出了一種基于正交試驗設計的動態(tài)反演方法，實時動態(tài)反演圍巖力學參數(shù)，并分析了洞室群開挖過程中圍巖位移場、應力場和塑性區(qū)的變化規(guī)律，為地下廠房的設計與施工提供了指導和優(yōu)化。趙鐵拴等[10]針對雙江口水電站大型地下廠房，通過數(shù)值仿真和微震監(jiān)測技術，分析得到高地應力條件下開挖卸荷對圍巖變形與破壞的影響，在地下廠房開挖初期，拱頂圍巖易出現(xiàn)拉應力集中，而拱肩及拱腳處壓應力集中顯著，微震事件的發(fā)生與現(xiàn)場施工活動密切相關。朱永生等[1聚焦于白鶴灘水電站地下廠房錯動帶圍巖穩(wěn)定性問題，通過現(xiàn)場破壞現(xiàn)象、監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬反饋分析，分析了錯動帶對圍巖變形破壞的作用機制，并提出了針對性的控制措施。

上述研究主要以地應力和圍巖為研究變量，對地下洞室群開挖后的圍巖穩(wěn)定性和相關的支護技術進行分析，但是均未詳細講述不同地質環(huán)境下初始地應力如何有效確定，同時也并未給出相應的反演過程。為探究大型水電站地下洞室群圍巖穩(wěn)定性，同時提出科學的支護措施，本文以西藏忠玉水電站為對象進行研究。該水電站地下洞室所處區(qū)域的地質環(huán)境復雜，使地下洞室群開挖后圍巖的應力場演化規(guī)律難以有效捕捉。因此，如何快速確定地下洞室群的初始應力場，研究考慮地應力作用下地下洞室群開挖后的圍巖穩(wěn)定性和支護措施，保障大型水電站地下洞室群安全高效開挖，是亟需解決的主要技術難題。

本文通過構建地下洞室群開挖三維數(shù)值仿真模型，考慮地應力對圍巖穩(wěn)定性的影響，探究水電站地下洞室群開挖后圍巖的位移、應力、塑性區(qū)及屈服區(qū)分布規(guī)律，以期為大型水電站地下洞室群的設計與施工提供參考。

工程概況

忠玉水電站位于西藏自治區(qū)易貢藏布河上，為I等大（1）型工程。該水電站的引水發(fā)電設施位于河流右岸的地下區(qū)域，包括多個關鍵結構：進水口、輸水隧洞、地下主廠房、主變室、尾調室、尾水通道、檢修室、尾水通道出口等。電站采用岸塔式進水口，“一機一洞\"引水，經(jīng)地下廠房后采用“二機一尾調一尾水洞”型式合并兩條尾水洞，尾水引至下壩址壩軸線下游尾水出口處。忠玉水電站的發(fā)電系統(tǒng)位于右側山體內部，涵蓋進水口、輸水隧道、廠房、主變室、調壓室以及尾水通道等。引水發(fā)電系統(tǒng)的三維布置如圖1所示。

圖1引水發(fā)電系統(tǒng)的三維布置 Fig.1Three-dimensional layoutofwater diversion and power generation system

2地下洞室群數(shù)值建模

2.1數(shù)值計算方法及模型

采用有限元分析方法對圍巖的整體穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬，重點分析地應力、支護設計以及開挖與支護的順序等工程要素，這些因素對地下洞室群在挖掘過程中的穩(wěn)定性具有顯著影響[12-13] O

本文將Mohr-Coulomb屈服準則作為圍巖塑性剪切破壞判斷依據(jù)，其屈服函數(shù)為 （20式中 ?f 為屈服函數(shù)； σ₁，σ₃ 分別為最大主應力和最小主應力； φ 為內摩擦角； c 為黏聚力。

同時將巖體抗拉強度作為圍巖塑性拉裂破壞的判斷依據(jù)，綜合考慮圍巖變形、應力、塑性區(qū)等對圍巖穩(wěn)定性的影響，進行綜合評價[14-16]。 。

地下洞室群的三維數(shù)值仿真模型包括主廠房、主變洞、尾調室以及相關機組，均采用有限元模型，網(wǎng)格采用Solid164實體單元進行劃分。三維數(shù)值仿真模型如圖2所示。

圖2地下洞室群的三維數(shù)值仿真模型Fig.2Three-dimensional numerical simulationmodelofundergroundchambers

2.2模型參數(shù)選取

地下洞室群圍巖為白堊系（ K1ηγα 花崗巖，巖性單一，灰白色，為中粗粒黑云母二長花崗巖，結構致密，巖體堅硬，塊狀構造。廣房區(qū)微新花崗巖總體以弱一微透水為主，地下水主要表現(xiàn)為沿結構面的集中滲水。工程區(qū)地應力場受重力和構造運動的共同控制，河谷地區(qū)復雜的地形導致了復雜的應力狀態(tài)。最大水平主應力方位為 N38^°E～N47^°E ，平均為N43^°E ，最大主應力方向與廠房軸線夾角 28^°～37^° ，小角度相交。主廠房、主變室、尾調室三大洞室錨固支護方式為掛網(wǎng)噴混凝土 + 錨桿 + 預應力錨桿或錨索，如圖3所示。

圖3支護結構

Fig.3Supporting structure

主廠房、主變室、尾調室掛網(wǎng)噴C25纖維混凝土， 厚度均為 15cm ；系統(tǒng)錨桿直徑 ^28，32mm ，按照長度 ^6，9m ，間距 1.5m×1.5m ，梅花型布置；洞室頂拱設 置隨機錨索，長度 20m ，預應力設置為 1000kN ；廠房 上下游墻、尾調上下游墻設置系統(tǒng)錨索，長度 20m ，預 應力設置為 1500kN ，間距 4.5m×6.0m ；洞室間設 置對穿系統(tǒng)錨索，預應力設置為 1500kN ，間距 4.5m×6.0m 。圍巖及支護結構的數(shù)值仿真參數(shù)如 表1所示。

表1圍巖及支護結構的數(shù)值仿真參數(shù)

Tab.1Numerical simulation parameters of surrounding rock and supporting structure

2.3地下洞室群初始應力場反演分析

圍巖的初始地應力是地下結構的主要荷載，是地下洞室布置、圍巖穩(wěn)定與支護設計的基礎。為了查明廠房洞群區(qū)地應力分布特征，在忠玉水電站下壩址右岸廠房區(qū)ZK54、ZK56測點鉆孔分別開展三維水壓致裂地應力測量。水壓致裂測量地應力是通過在垂直鉆孔內封隔一段，向鉆孔內的封閉巖段注入高壓水，使孔壁產(chǎn)生徑向應力，當應力超過巖石的抗拉強度時，孔壁就會破裂并形成裂縫。通過測量破裂時的壓力、關閉泵后的壓力下降值以及重新開啟泵時的壓力，可以計算出原巖應力的大小和方向。初始應力場的測算結果如表2所示。

采用多元回歸分析方法和側壓力系數(shù)法對忠玉水電站地下廠房工程進行三維地應力場反演分析，主廠房的各主應力分布如圖4所示。由計算結果可知，地下洞室群區(qū)域初始地應力場受自重和構造應力的共同作用，各地下洞室的主應力大小范圍如表3所示。

3地下洞室群數(shù)值仿真結果分析

針對地下洞室群未支護和支護狀態(tài)開展數(shù)值仿真研究，由于不同洞室的空間位置及尺寸不同，為分析其在同一斷面處的應力狀態(tài)及位移情況，選取圖2的4個剖面進行圍巖穩(wěn)定性分析，分別為廠橫 0+000.00 橫剖面（1號機組中心線）廠左 0+024.50 橫剖面（2號機組中心線）廠左 0+049.00 橫剖面（3號機組中心線）廠左 0+073.50 橫剖面（4號機組中心線）。對每個剖面的主廠房頂拱及上游邊墻、主變室頂拱及下游邊墻、尾調室頂拱及上下游邊墻的沉降及最大位移，主廠房頂拱及上下游邊墻、主變室頂拱及上下游邊墻、尾調室頂拱及上下游邊墻的 σ₁ 、塑性區(qū)深度和屈服區(qū)深度進行數(shù)值仿真研究，其中部分洞室特定剖面的位移及應力分布如圖5～7所示。

表3各地下洞室主應力大小范圍

Tab.3Range of principal stress in various places M

根據(jù)數(shù)值仿真結果進行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)結果如圖8～13所示。由計算結果可知，由于地下洞室開挖支護后，圍巖變形會對支護結構產(chǎn)生相應的擠壓作用，此時支護結構也將給予圍巖一個反作用力以維持其穩(wěn)定；但圍巖若沒有得到有效的支護，在巖體自重和地應力的共同作用下，地下洞室開挖后，原本存在的支反力沒有得到及時補償，應力將會集中作用于開挖區(qū)，圍巖的變形無法得到有效控制，因此出現(xiàn)了地下洞室開挖后，在支護條件下，其受到的最大主應力明顯降低的情況，最大降幅達到 91.11% 。說明圍巖在受到支護后，地下洞室開挖造成圍巖變形的作用力得到了有效補

圖51號機組中心線橫剖面位移分布Fig.5Displacement distribution of centerlinecross section ofunit 1

圖71號機組中心線橫剖面塑性區(qū)、屈服區(qū)分布Fig.7Distribution of plastic zone and yield zone

圖8未支護狀態(tài)下各剖面不同位置最大主應力 σ₁ （單位： MPa ）

償，支反力限制了圍巖進一步變形，支護結構可有效改善巖體開挖后應力場的分布情況；同時，采用梅花型錨桿的布設形式進行支護后，各區(qū)位應力場的分布更為均衡，避免了地下洞室群開挖后因支護不及時導致局部區(qū)域出現(xiàn)應力集中而失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象；支護與無支護情況相比，圍巖變形規(guī)律、塑性區(qū)與屈服區(qū)分布、發(fā)展規(guī)律均基本相同，主要原因在于支護結構的支護形式與洞室形狀一致，支護的目的主要是為了限制圍巖變形后的作用力，并未改變地下洞室開挖后圍巖變形作用力的方向；另外，經(jīng)過支護后，各區(qū)位因洞室開挖引起的最大位移量顯著降低，塑性區(qū)與屈服區(qū)的擴展范圍和擴展深度均明顯減小，位移最大降幅 23.08% ，塑性區(qū)與屈服區(qū)深度最大降幅達到31.91% ，同時，支護后圍巖塑性區(qū)的擴展范圍均在錨桿和錨索的加固范圍之內。由此可見，通過三維彈塑性有限元計算分析可知：采用本文建議的支護方案，可以有效地控制圍巖向洞內的不利變形，抑制洞周巖體塑性區(qū)與屈服區(qū)的擴展，使圍巖的整體穩(wěn)定性和噴錨支護結構的穩(wěn)定性得到有效保障，提高地下洞室群開挖后的圍巖穩(wěn)定性，確保地下洞室群安全、高效施工。

圖9支護狀態(tài)下各剖面不同位置最大主應力 σ₁ （單位： MPa ）Fig.9Maximum principal stress σ₁ at different positionsof each section under supported state

圖10未支護狀態(tài)下各剖面不同位置最大位移（單位： mm ） Fig.10Maximum displacement at different positions of each section under unsupported state

圖12未支護狀態(tài)下各剖面不同位置塑性區(qū)與屈服區(qū)深度（單位： m ）

Fig.12Depth ofplastic zone and yield zoneat different positions of each section under unsupported state

圖13支護狀態(tài)下各剖面不同位置塑性區(qū)與屈服區(qū)深度（單位：m）

Fig.13Depth of plastic zone and yield zoneatdifferent positions of each section under supported state

4結論

本文以西藏忠玉水電站地下洞室群開挖工程為研究對象，構建其三維數(shù)值仿真模型，選取了其中具有代表性的4個剖面，通過分析每個剖面主要區(qū)位的最大主應力 σ₁ 、最大位移、塑性區(qū)和屈服區(qū)分布，研究地下洞室群的圍巖穩(wěn)定性。主要結論如下。

（1）考慮地下洞室群初始應力場，提出主廠房、主變洞、尾調室三大洞室采用掛網(wǎng)噴混凝土 + 錨桿 + 預應力錨桿或錨索的錨固支護方式。

（2）地下洞室群經(jīng)過支護后，圍巖受到的最大主應力明顯降低，最大降幅達到 91.11% ，支護結構可以避免局部區(qū)域出現(xiàn)應力集中導致的失穩(wěn)破壞。

（3）經(jīng)過支護后，各區(qū)位因洞室開挖引起的最大位移量顯著降低，塑性區(qū)與屈服區(qū)的擴展范圍和擴展深度均明顯減小，位移最大降幅 23.08% ，塑性區(qū)與屈服區(qū)深度最大降幅達到 31.91% ，可以有效地控制圍巖向洞內的不利變形，抑制洞周巖體塑性區(qū)與屈服區(qū)的擴展。

參考文獻：

[1] 李香瑞.基于數(shù)據(jù)驅動的地下廠房圍巖穩(wěn)定與安全預警研究[D].鄭州：華北水利水電大學，2022

[2] 周朝，尹健民，周春華，等.考慮累積微震損傷效應的荒溝電站地下洞室群圍巖穩(wěn)定性分析[J].巖石力學與工程學報，2020，39（5）：1011-1022.

[3]] 周述達，孫海清，張彪.三峽水利樞紐地下電站布置及洞室穩(wěn)定關鍵技術研究[J].水利水電快報，2022，43（6）：42 -48.

[4] 楊志川，尹軍，龐云銘，等.旭龍水電站地下廠房主要工程地質問題分析[J].水利水電快報，2024，45（5）：26-30.

[5] 陳磊，余國祥.高地應力下洞室襯砌裂縫形成機制與防治對策——以白鶴灘水電站為例[J].人民長江，2021，52（8）：142-150.

[6] 李春輝，任哲明，王洪洋，等.地應力對地下廠房圍巖穩(wěn)定性影響的三維有限元分析[J].陜西水利，2024（1）：12-15.

[7] 方丹，韓鋼，鄢江平，等.卡拉水電站地下洞室群穩(wěn)定性分析及洞室間距優(yōu)化研究[J].長江科學院院報，2023，40（11）：93-101，110.

[8]黃鵬，狄圣杰，劉靜，等.大型地下洞室群施工期圍巖力學參數(shù)多維動態(tài)反演及應用[J].西北水電，2022（5）：138-144.

[9]張強勇，向文，楊佳.大崗山地下廠房洞室群圍巖力學參數(shù)的動態(tài)反演與開挖穩(wěn)定性分析研究[J].土木工程學報，2015，48（5）：90-97.

[10] 趙鐵拴，鄧運辰，王敏，等.高地應力硬巖碉室群爆破開挖圍巖穩(wěn)定性分析[J].武漢理工大學學報，2023，45（12）：84-90.

[11] 朱永生，褚衛(wèi)江，萬祥兵，等.白鶴灘水電站地下廠房錯動帶圍巖穩(wěn)定性控制方法研究［J].隧道建設（中英文），2022，42（1）：48-56.

[12] 職承杰，李建賀，張傳健.高地應力軟巖隧洞開挖擾動特征與規(guī)律研究[J].水利水電快報，2021，42（3）：34-41.

[13] 王斌，董志宏，劉元坤，等.湖南省桂陽抽水蓄能電站高壓引水隧洞穩(wěn)定性分析[J].水利水電快報，2024，45（3）：47-53，60.

[14] 付建軍，趙海斌，許愛平，等.復雜地質條件下大型地下洞室群穩(wěn)定性分析[J].人民長江，2012，43（3）：39-42.

[15] 董志宏.西南復雜地質條件下大型地下洞室群圍巖動態(tài)穩(wěn)定分析與控制研究[D].武漢：武漢大學，2020.

[16] 楊繼華.基于FLAC3D的層間錯動帶對大型地下洞室地震響應影響分析—以白鶴灘水電站為例[J].水利水電快報，2023，44（3）：39-45.

（編輯：高小雲(yún)）

Study on supporting measures and influence of underground chamber group excavation on stability of surrounding rock in Zhongyu Hydropower Station

TIAN Jiangwei （National Energy Group Xizang Electric Power Company Limited，Lhasa 85oooo，China）

Abstract：Inviewof theproblem thatthesuroundingrock isprone toinstabilityand failureafter excavationof underground cambers of large－scale hydropower stations，we builta three-dimensionalnumerical simulation model forunderground chamber group excavationof Zhongyu Hydropower Station，considering the influence of crustal stress on the stability of surrounding rock.The main powerhouse，main transformation tunnel and tail adjustment chamber were greatly studied.Diferent analysis sections were selected to compareandanalyze the distribution lawsof displacement，stress， plastic zoneand yield zone of surrounding rock after excavationof the chambers in unsupportedand supported conditions.Theresults showed that without efective support，under the influenceof self-weight of rock massand crustal stress，the original support force couldnotbe compensatedafter the excavationof theunderground chambers，stress will be concentratedonthe excavation area，and the deformation ofsurrounding rock could notbe efectively controlled.After the underground chamber group was supported，the maximum principal stresses on the surrounding rock were significantly reduced，with a maximum decrease of 91.11% ，preventing localized stress concentrations and destabilization. The maximum reduction in displacement was 23.08% ，and the maximum reduction in the depth of the plastic zones and yield zones was 31.91% ，effectively controlling the unfavorable deformation of the surrounding rock，preventing the expansion ofthe plastic zones and yield zones oftherock masaround the tunnel，andensuring the safe and eficientconstructionof the underground chamber group.

Key words：underground chamber group；crustal stress；numerical simulation; surrounding rock stability；supporl measure；Zhongyu Hydropower Station