李廣凱，張　立，賈　超，雒翔宇

（1.山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山東泰安，271000；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南，250061）

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基于強(qiáng)度折減法的泰安電站主廠房穩(wěn)定性分析

李廣凱1，張立1，賈超2，雒翔宇2

（1.山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山東泰安，271000；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南，250061）

泰安抽水蓄能電站地下主廠房受上游水庫影響較大，尤其是滲流水對斷層、節(jié)理裂隙等弱性巖層有弱化作用，對廠房的安全運(yùn)營等造成了一定的安全隱患。針對以上問題，基于強(qiáng)度折減法，分析影響主廠房安全穩(wěn)定的斷層、節(jié)理裂隙等弱性巖層強(qiáng)度參數(shù)弱化后，泰山抽水蓄能電站主廠房的穩(wěn)定性規(guī)律，為電站安全運(yùn)營提供參考依據(jù)。

圍巖穩(wěn)定；強(qiáng)度折減法；塑性區(qū)；斷層

0　引言

泰安抽水蓄能電站地下廠房洞室位于水庫的下游，地層中含有多種節(jié)理裂隙、透水層等利于庫水向下游滲漏的地質(zhì)條件。受到地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、斷層交匯等不利條件的影響，再加上廠房運(yùn)行一些年月后支護(hù)和設(shè)施已經(jīng)年久老化，局部部位出現(xiàn)了以往地下廠房沒有出現(xiàn)過的具有時(shí)效性的大變形，洞周松動(dòng)區(qū)持續(xù)加深并出現(xiàn)掉塊，甚至發(fā)生斷層泥化軟化等不尋常現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅洞室群的穩(wěn)定性和施工安全，同時(shí)也令人擔(dān)心其長期穩(wěn)定性。這些現(xiàn)象引起了各方的密切關(guān)注，也啟發(fā)人們對泰安抽水蓄能電站主廠房的特殊性進(jìn)行深入思考［1-2］。

目前，對于巖土工程的數(shù)值模擬分析經(jīng)常采用兩種模型：一類是連續(xù)介質(zhì)模型，如FLAC3D等，另一類是非連續(xù)介質(zhì)模型。FLAC3D是一種基于三維顯式有限差分法的數(shù)值分析方法［3-5］。這種算法可以準(zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動(dòng)以及大變形，尤其是材料的彈塑性分析方面，在大變形分析以及模擬施工過程等領(lǐng)域有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外許多學(xué)者對地下洞室的開挖及穩(wěn)定性分析進(jìn)行過數(shù)值模擬。FLAC3D在巖土工程中得到了廣泛應(yīng)用［6-9］。

泰安抽水蓄能電站地下廠房洞室規(guī)模大、斷層錯(cuò)綜復(fù)雜，使地下工程施工期和運(yùn)行期的安全存在一定的不確定性。針對上述問題，開展了對地下廠房洞室群施工期的快速監(jiān)測與反饋分析研究，關(guān)注開挖及開挖后含斷層的洞室圍巖的整體與局部穩(wěn)定性，對洞室群的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價(jià)，以期確保施工期的安全和工程的正常運(yùn)行。

結(jié)合監(jiān)測結(jié)果，基于強(qiáng)度折減法，應(yīng)用有限差分法對洞室圍巖的安全穩(wěn)定性做出分析評價(jià)。

1　理論概述

由于斷層力學(xué)參數(shù)與巖體力學(xué)參數(shù)不同，并且有明顯的接觸面，因而斷層在受壓情況下的損傷破壞特性可以通過損傷力學(xué)理論來分析。地下洞室圍巖斷層多處于多向受壓的力學(xué)環(huán)境中，但由于開挖、力學(xué)參數(shù)軟化等原因，也會(huì)引起巖體局部處于拉壓剪狀態(tài)。

地下洞室開挖后，地應(yīng)力重新分布保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。運(yùn)營過程中由于斷層的軟化，在斷層與巖體的接觸面處受圍巖變化常常會(huì)發(fā)生剪拉破壞。

2　模型建立

2.1模型的建立

泰安抽水蓄能電站位于山東省泰安市泰山西南麓，電站地下廠房布置于橫嶺南坡山體內(nèi)，離廠房大約150 m的上游是蓄水量1 107.6萬m3的水庫，上覆巖體厚約210～240 m。地下廠房尺寸為180 m× 25.9m×53.675 m（長×寬×高），平均埋深224.725 m，頂拱高程為140.275 m，底板高程為86.60 m。

工程區(qū)最大水平主應(yīng)力值為12 MPa，最小水平主應(yīng)力值為7 MPa，地應(yīng)力分布云圖見圖1（利用數(shù)值軟件地應(yīng)力平衡模擬得到）。按GB 50218-94《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》和GB 50287-99《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》對圍巖進(jìn)行分類，為偏于安全考慮，工程區(qū)圍巖按III類巖石參數(shù)計(jì)算，有多條斷層通過廠房并貫通整個(gè)地層帶。圍巖參數(shù)見表1。

基于與實(shí)際工程相一致的原則，建立以主洞室為主的地質(zhì)模型，模型為218 m×543 m×475.8 m。同時(shí)圍巖中分布三個(gè)弱化斷層f1、f2、f3，并劃分網(wǎng)格（共725 682個(gè)單元）模型，見圖2。

表1　圍巖參數(shù)Table 1 Parameters of the surrounding rock

圖1　地應(yīng)力分布云圖Fig.1 Cloud map of the distribution of ground stress

2.2邊界條件的設(shè)置

邊界的條件設(shè)定：固定x、z軸的邊界及y的下邊界，同時(shí)設(shè)定計(jì)算收斂值為1e-5，計(jì)算時(shí)步為30 000。模型計(jì)算采用摩爾庫倫本構(gòu)關(guān)系，材料參數(shù)按表1賦值。首先對模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡處理，然后進(jìn)行洞室的一次性開挖，圖3是開挖后地應(yīng)力重新分布，地應(yīng)力平衡后洞室圍巖的垂直應(yīng)力云圖。

圖2　數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

圖3　開挖后垂直應(yīng)力云圖Fig.3 Cloud map of the vertical stress after excavation

3　強(qiáng)度折減法數(shù)值分析

所謂抗剪強(qiáng)度折減法就是將斷層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C和φ，用一個(gè)折減系數(shù)Fs，如式（1）和式（2）所示的形式進(jìn)行折減，然后用折減后的虛擬抗剪強(qiáng)度指標(biāo)CF和φF取代原來的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C和φ，如式（3）所示。

式中，CF是折減后虛擬的粘聚力；φF是折減后虛擬的內(nèi)摩擦角；τfF是折減后的抗剪強(qiáng)度。

在FLAC3D的有限元計(jì)算中，在低應(yīng)力作用下，不斷地折減抗剪參數(shù)指標(biāo)粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ，使洞室圍巖出現(xiàn)不穩(wěn)定區(qū)域，從而有巖土的塑性區(qū)出現(xiàn)，出現(xiàn)大片的塌落區(qū)，此時(shí)折減系數(shù)即為洞室的安全系數(shù)。

通常在數(shù)值計(jì)算時(shí)以塑性區(qū)作為圍巖穩(wěn)定性判據(jù)，巖體的塑性特性通常反映出其硬化-軟化流動(dòng)力學(xué)特性，適用于連續(xù)型介質(zhì)。從應(yīng)力應(yīng)變的微觀角度來分析節(jié)理巖體的穩(wěn)定性，認(rèn)為巖體達(dá)到塑性變化后主要發(fā)生的是剪切和拉破壞。地下工程圍巖通常處于壓作用下，斷裂面上是受到剪作用達(dá)到其剪切強(qiáng)度，拉作用達(dá)到其抗拉強(qiáng)度，發(fā)生剪切和拉破壞，使圍巖出現(xiàn)大塊巖體脫落，宏觀上表現(xiàn)為圍巖的失穩(wěn)。

洞室開挖好后，經(jīng)過支護(hù)加固，洞室圍巖重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。因此在計(jì)算之前對已有洞室模型進(jìn)行初始化處理，消除在開挖過程中的亞破壞區(qū)，以免影響強(qiáng)度折減的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。洞室圍巖中的斷層巖質(zhì)復(fù)雜，受水作用影響大，經(jīng)過一定時(shí)間，力學(xué)特性弱化明顯，因此利用強(qiáng)度折減法對斷層的c、φ按系數(shù)為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0折減。具體折減系數(shù)及參數(shù)見表2。

表2　折減參數(shù)Table 2 Reduction indexes

洞室破壞判定標(biāo)準(zhǔn)：有限元計(jì)算不收斂，并且洞室周圍有貫通性塑性區(qū)。在折減系數(shù)較小時(shí)，有限元計(jì)算收斂，但是有較小的塑性區(qū)，對洞室的長期穩(wěn)定性影響很小。本研究運(yùn)用強(qiáng)度折減法原理，不斷降低巖體軟弱夾層和隨機(jī)節(jié)理的強(qiáng)度參數(shù)（粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ），以巖體內(nèi)部出現(xiàn)塑性貫通或位移突變或有限元計(jì)算不收斂作為強(qiáng)度折減系數(shù)的收斂準(zhǔn)則，從而模擬斷層被軟化后對洞室穩(wěn)定性的影響。

4　計(jì)算結(jié)果分析

4.1塑性特性分析

當(dāng)折減系數(shù)小于3.5時(shí)，主洞室數(shù)值模擬計(jì)算收斂，洞室周圍出現(xiàn)小部分塑性，對洞室運(yùn)行及安全不會(huì)有很大的影響。當(dāng)折減系數(shù)為4時(shí)，計(jì)算不收斂，塑性區(qū)成區(qū)域性出現(xiàn)，洞室周圍出現(xiàn)貫通性破壞單元。洞室的塑性區(qū)見圖4（由于篇幅限制，主要展示折減系數(shù)為3.5、4.0、4.5和5.0的洞室破壞形態(tài)）。

同時(shí)從圖4中可以得到，隨著折減系數(shù)的增加，塑性區(qū)最先出現(xiàn)的地方是斷層f3與洞室的相交洞頂和側(cè)墻處。引起此現(xiàn)象的原因是由于斷層的走向和傾角不同，因此對洞室的影響效果也不同。

通過以上計(jì)算可鎖定安全系數(shù)范圍為（3.5，4.0），然后借鑒文獻(xiàn)［12］中的強(qiáng)度折減循環(huán)命令，應(yīng)用于數(shù)值分析中可確定較精確的安全系數(shù)為3.88。主要受斷層的影響，當(dāng)折減系數(shù)為3.88時(shí)，洞室圍巖的破壞區(qū)主要分布于斷層與洞室相交的地方。

4.2塑性區(qū)應(yīng)力應(yīng)變分析

在計(jì)算中監(jiān)測f3處洞頂與起拱處的關(guān)鍵點(diǎn)（96.78，192.89，183.5），得出相應(yīng)的應(yīng)力-位移曲線，見圖5。從曲線可以看出，塑性監(jiān)測點(diǎn)的變化在折減系數(shù)為3.88時(shí)開始進(jìn)入塑性階段。與塑性特性分析表現(xiàn)出的狀態(tài)相對應(yīng)，隨著折減系數(shù)的增加，依據(jù)巖石力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，該區(qū)域會(huì)進(jìn)入塑性軟化直到巖體破壞。

5　結(jié)語

泰安抽水蓄能電站主廠房位于水庫下游，賦存于多條斷層的交界部位。斷層帶常常會(huì)受上游水庫的滲流水影響，斷層強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間部分區(qū)泥化或強(qiáng)度弱化。根據(jù)此地質(zhì)現(xiàn)象實(shí)施基于強(qiáng)度折減法對斷層的弱化，以分析地下廠房的安全穩(wěn)定性是合理的。

斷層的厚度、與洞室的相對位置及與洞室的交界部位不同，對斷層的影響也不同。弱化后有的斷層對洞室的穩(wěn)定性影響很大，尤其是對洞室的起拱處及洞頂位置。從位移-應(yīng)力曲線看，失穩(wěn)后的洞室處強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了屈服階段。因此需要在后期的工作防護(hù)中將重點(diǎn)放在斷層與洞室交界處的加固及防滲工作上。

通過以上分析得出了斷層弱化與洞室穩(wěn)定的規(guī)律，下一步工作主要通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究上游水庫滲流與斷層弱化的時(shí)間、空間規(guī)律，以便得到更完善的研究成果。

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The underground powerhouse of Taishan pumped storage power station is highly influenced by upstream reservoir level，especially the seepage water's softening effect on fault and joint fracture.It causes some potential safety problems for powerhouse operation.To solve the problems，based on strength reduction method，this paper uses finite difference calculation method to analyze the safety and stability of underground powerhouse of Taishan pumped storage power station and explores weakening fault's effect on the cavern stability during and after excavation.The result reveals the stability law of the underground powerhouse and provides scientific

for its safe operation based on the analysis of strength reduction method.

stability of surrounding rock；strength reduction method；plastic zone；fault

TV698.1

B

1671-1092（2016）02-0019-04

2015-12-18；

2016-01-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41272325）；國家留學(xué)基金項(xiàng)目（201306225024）；國家電網(wǎng)新源公司項(xiàng)目（SGXY-2014FJ04-73、GXY-2014FJ04-74）

李廣凱（1988-），男，山東萊蕪人，助理工程師，主要從事水電站運(yùn)維管理及相關(guān)技術(shù)分析工作。

作者郵箱：jiachao@sdu.edu.cn

Title：Stability analysis of Taian powerhouse based on strength reduction method//by LI Guang-kai，ZHANG Li，JIA Chao and LUO Xiang-yu//Shandong Taishan Pumped Storage Power Plant Co.，Ltd.