袁長(zhǎng)安,蘇 超

(1.重慶蟠龍抽水蓄能有限公司,重慶 401452; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)的優(yōu)化配置需要，我國(guó)目前正在興建一批抽水蓄能電站，電站廠房通常為大尺寸的地下洞室群。水電站地下洞室群在開挖過程中洞周圍巖的穩(wěn)定問題一直是工程界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點(diǎn)，近幾年的研究主要包括以下幾個(gè)方面：①洞室圍巖的變形規(guī)律[1-2]；②高地應(yīng)力水平對(duì)洞室穩(wěn)定的影響及應(yīng)對(duì)措施[3-5]；③洞室群圍巖穩(wěn)定分析方法[6-8]；④施工程序、施工仿真及施工方法[9-10]；⑤不同類型圍巖的開裂機(jī)理和破壞特征[11-13]；⑥地震荷載作用下洞室的穩(wěn)定[14-15]；⑦洞室圍巖巖爆的模擬與分析[16]；⑧高地溫環(huán)境下巖石特性等[17]。這些研究涉及大型地下洞室群穩(wěn)定的主要問題，采用的計(jì)算模型都是包含主廠房、主變室、母線洞及部分引水洞和尾水洞的三維簡(jiǎn)化模型，沒有考慮其他洞室開挖對(duì)主廠房的影響。本文以蟠龍水電站地下洞室群為研究對(duì)象，擬建立包含所有洞室的三維有限元模型，研究洞室群在開挖過程中圍巖的變形機(jī)理，并與三維簡(jiǎn)化模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究不同計(jì)算模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，為類似工程的數(shù)值模擬提供參考。

1 工程概況

圖1 1號(hào)機(jī)組剖面圖(高程單位：m；長(zhǎng)度單位：mm)

蟠龍抽水蓄能電站由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫(kù)及地面開關(guān)站等建筑物組成，地下廠房系統(tǒng)采用尾部式布置，電站裝機(jī)容量為1 200 MW(4×300 MW)，洞室上覆巖體厚度為40～480 m。主廠房開挖尺寸為169.00 m×24.00 m×54.43 m(長(zhǎng)×寬×高)，安裝場(chǎng)位于主廠房中部，主變洞開挖尺寸為139.40 m×20.30 m×21.20 m(長(zhǎng)×寬×高)，機(jī)組剖面圖見圖1。

洞室群主要處于中硬巖和軟巖之中,軟巖層有6層，為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖,軟硬巖相間分布,見圖2(軟巖層4在主廠房上游,圖中沒有標(biāo)出)。軟巖強(qiáng)度和彈性模量總體偏低,抵抗變形的能力較差,層與層之間連接力弱,基坑開挖后易發(fā)生卸荷回彈,同時(shí)軟巖抗風(fēng)化能力差,暴露在空氣中極易崩解,加之洞室跨度大,存在大型洞室軟巖變形與穩(wěn)定問題。

2 有限元模型

考慮所有洞室的三維有限元模型(簡(jiǎn)稱M1模型)計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示,包括主廠房、主變室、母線洞、主變運(yùn)輸洞、聯(lián)系廊道、送風(fēng)機(jī)房、排風(fēng)機(jī)房、進(jìn)廠交通洞、主廠房送風(fēng)洞、主廠房排風(fēng)洞、主變室送風(fēng)洞、主變室排風(fēng)洞、引水隧洞、尾水隧洞、高壓電纜平洞、高壓電纜豎井、檢修排水廊道、排風(fēng)豎井、3～6號(hào)施工支洞、廠頂錨固洞以及環(huán)繞主廠房和主變室的外圍3層排水兼錨固洞,同時(shí)考慮了軟巖等地質(zhì)構(gòu)造。為了與以往計(jì)算方案進(jìn)行比較,建立了只包含主廠房、主變室、母線洞、主變運(yùn)輸洞、引水洞、尾水洞的三維簡(jiǎn)化模型(簡(jiǎn)稱M2模型)計(jì)算網(wǎng)格如圖4所示。計(jì)算采用在巖土工程中應(yīng)用廣泛的有限元通用計(jì)算程序ABAQUS,巖石本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 軟巖與廠房關(guān)系示意圖

圖3 考慮所有洞室的有限元三維模型計(jì)算網(wǎng)格

圖4 考慮局部洞室的簡(jiǎn)化模型計(jì)算網(wǎng)格

圍巖類別 密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°) ⅢA類25507.00.230.90045.0ⅢB類25507.50.230.95046.4 Ⅳ類 25004.50.260.35033.0 Ⅳ～Ⅴ類 24603.90.260.30530.9 Ⅴ類 23001.50.300.12521.8

3 主要洞室變形特征

主廠房側(cè)墻以順?biāo)飨虻乃轿灰茷橹?隨著開挖的持續(xù)進(jìn)行,側(cè)墻的開挖高度不斷增大,側(cè)墻的水平變形也不斷增大,尤其是主廠房上下游邊墻的中部,軟巖層6貫穿處,以及母線洞、主變運(yùn)輸洞、進(jìn)場(chǎng)交通洞、引水洞與主廠房上下游邊墻交叉處。開挖結(jié)束后上游墻最大水平位移U2(y方向)為50.18 mm,發(fā)生在下部軟巖層貫穿廠房上游墻部位,主廠房下游墻的最大水平位移U2(y方向)為-36.07 mm,發(fā)生在母線洞與主廠房交叉洞口處,上游墻位移云圖見圖5,下部軟巖層位移云圖見圖6,下游墻的變形規(guī)律與上游墻基本一致。

圖5 開挖結(jié)束后主廠房上游墻順?biāo)飨蛭灰圃茍D

圖6 開挖結(jié)束后下部軟巖層順?biāo)飨蛭灰圃茍D

4 兩種模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

4.1 變形對(duì)比

M1和M2模型洞周圍巖變形規(guī)律基本一致。主廠房和主變室上下游邊墻以水平位移為主,頂拱和底板以鉛直向位移為主,而且隨著開挖的進(jìn)行,洞周圍巖的變形逐漸增大。在主廠房頂拱、巖錨梁及母線洞頂部區(qū)域分別選取5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)(圖7),這5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)變形隨開挖過程(分7步從上向下開挖)的變化規(guī)律見圖8,上游墻的B、D兩點(diǎn)變形指向下游,下游墻的C、E兩點(diǎn)變形指向上游,頂拱A點(diǎn)的變形鉛直向下。M1模型的上游墻較大水平位移為33.64 mm,發(fā)生在B點(diǎn)(附近有軟巖層3);下游墻較大水平位移為-25.77 mm,發(fā)生在E點(diǎn),頂拱鉛直向位移為-31.10 mm。M2模型相應(yīng)點(diǎn)上游墻較大水平位移為27.07 mm,下游墻較大水平位移為-21.83 mm,頂拱鉛直向位移為-27.79 mm,通過比較可見,M1模型的整體變形比M2模型大,其中上游墻的水平位移偏差達(dá)19.5%。

圖7 洞室關(guān)鍵點(diǎn)位置示意圖

圖8 洞周關(guān)鍵點(diǎn)變形隨開挖過程的變化規(guī)律

4.2 應(yīng)力對(duì)比

M1和M2模型洞周圍巖的應(yīng)力云圖分布基本一致,M1、M2模型中相同關(guān)鍵點(diǎn)處的應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致。洞室側(cè)墻中部主拉應(yīng)力較大,在主廠房和主變室拱肩部位和側(cè)墻與底板轉(zhuǎn)角部位有主壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。M1模型的最大主壓應(yīng)力為-15.95 MPa,最大主拉應(yīng)力為0.69 MPa。M2模型的最大主壓應(yīng)力為-14.91 MPa,最大主拉應(yīng)力為0.66 MPa。在開挖過程中,主壓應(yīng)力沒有超過圍巖的抗壓強(qiáng)度。通過比較可知，M1模型計(jì)算結(jié)果比M2的稍大,最大主拉應(yīng)力偏差為4.55%,最大主壓應(yīng)力偏差為6.52%。

4.3 塑性區(qū)對(duì)比

圖9為洞室群開挖完成后主廠房典型截面洞周圍巖塑性區(qū)分布云圖,圖9表明M1和M2模型中的塑性區(qū)分布規(guī)律基本一致,塑性區(qū)主要位于貫穿廠房上下游側(cè)墻的軟巖內(nèi)和拱肩處,且上游墻內(nèi)的塑性區(qū)明顯比下游墻內(nèi)的塑性區(qū)分布范圍大,主廠房和主變室之間沒有貫通的塑性區(qū)。M1模型的塑性區(qū)比M2的塑性區(qū)大,其中M1模型上游墻內(nèi)塑性區(qū)深度達(dá)14 m,M2模型上游墻內(nèi)塑性區(qū)深度達(dá)11 m,表明M1模型考慮的洞室多,其開挖擾動(dòng)區(qū)更大,對(duì)主廠房、主變室圍巖產(chǎn)生了不利影響。

圖9 開挖完成后主廠房典型截面洞周圍巖塑性區(qū)云圖

5 結(jié) 論

以重慶蟠龍軟巖區(qū)抽水蓄能電站地下洞室群為依托,分別建立包括所有洞室的三維有限元模型和只包含主廠房、主變室等部分洞室的三維簡(jiǎn)化模型,采用非線性有限元法,按照施工組織設(shè)計(jì)開挖過程對(duì)地下洞室群進(jìn)行了有限元數(shù)值分析。計(jì)算結(jié)果表明:包含所有洞室模型的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)均比只包含主廠房、主變室、母線洞等的模型大,其中主廠房上游墻的水平位移差達(dá)19.5%,主拉應(yīng)力偏差為4.55%,主壓應(yīng)力偏差為6.52%,主廠房上游墻塑性區(qū)深度相差21.4%。說明主廠房周邊小洞室的開挖會(huì)削弱圍巖的整體性,對(duì)主廠房洞周圍巖的變形產(chǎn)生一定的影響,建議在進(jìn)行地下廠房三維有限元分析時(shí)有必要考慮不同計(jì)算模型的影響，宜選擇包含所有洞室的三維有限元模型。