系統(tǒng)錨桿對(duì)地下廠房洞室群穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析

以某水電站地下廠房工程為實(shí)例，采用數(shù)值分析方法，通過對(duì)比廠房洞室群是否施加系統(tǒng)錨桿的差別，獲得系統(tǒng)錨桿對(duì)洞室群穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，施加系統(tǒng)錨桿對(duì)圍巖主應(yīng)力影響小，但能平均降低圍巖位移28.07%，降低拱頂和拱角處圍巖位移34%以上，降低主廠房和尾閘室邊墻塑性破壞區(qū)深度2.2～4.8m，在一定程度上提高洞室群的整體穩(wěn)定性。

系統(tǒng)錨桿；地下廠房；穩(wěn)定性；數(shù)值分析

1 問題的提出

我國西南地區(qū)蘊(yùn)藏的水能資源豐富，是我國重要的水電能源基地。但是受地形條件的限制，西南地區(qū)大量水電工程的發(fā)電廠房通常布置在山體內(nèi)，形成地下廠房洞室群。一旦開挖這些地下洞室群，將會(huì)打破山體原有的平衡，形成二次應(yīng)力，并且出現(xiàn)向開挖臨空面的卸荷回彈，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)一定范圍內(nèi)的塑性破壞區(qū)。如果形成的二次應(yīng)力以及位移量過大，將會(huì)導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性降低，甚至出現(xiàn)大變形垮塌破壞，因此在地下洞室群開挖以后需要及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行工程支護(hù)處理。

目前我國地下洞室群大部分采用的是系統(tǒng)錨桿（錨桿＋錨索）的支護(hù)方式。從工程實(shí)踐以及大量學(xué)者研究的結(jié)果來看，系統(tǒng)錨桿支護(hù)效果是明顯的，能夠提高圍巖的穩(wěn)定性［1～7］。但是地下廠房洞室群開挖以后，系統(tǒng)錨桿對(duì)地下洞室群圍巖應(yīng)力、位移、塑性破壞區(qū)的影響具體有多少？哪些部位施加系統(tǒng)錨桿后穩(wěn)定性有大幅度提高？地下廠房圍巖沒有系統(tǒng)錨桿和有系統(tǒng)錨桿之間具體的差別在哪里？開展這些問題的研究對(duì)于地下廠房洞室群整體穩(wěn)定性、優(yōu)化圍巖支護(hù)措施、確定合理的施工過程等都有著重要的工程意義和現(xiàn)實(shí)意義。為此，本論文以金沙江某水電站地下廠房工程為例，采用數(shù)值分析方法，對(duì)比分析研究有無系統(tǒng)錨桿支護(hù)情況下地下廠房洞室群開挖以后圍巖主應(yīng)力、位移、塑性破壞區(qū)以及整體穩(wěn)定性之間的差別，并希望能對(duì)類似工程有一定的借鑒作用。

2 背景介紹

本論文研究的水電工程位于金沙江，電站為混凝土重力壩，初定壩高140m，裝機(jī)容量2 100MW，庫容15.48×108m3，工程規(guī)模屬Ⅰ等大（一）型。研究區(qū)地層巖性為一套侏羅系砂巖夾板巖以及燕山期侵入正長巖，具體巖性描述如下：

（1）侏羅系上統(tǒng)妥甸組（J3t）：灰綠色粉砂巖與砂質(zhì)頁巖互層，局部夾泥巖。

（2）侏羅系中統(tǒng)蛇店組（J2s）：灰綠－青灰色變質(zhì)砂巖，以長石砂巖夾硅泥質(zhì)板巖為主，局部夾粉砂巖、長石石英砂巖。

（3）燕山期侵入巖（ξ5）：巖性主要為正長巖，以巖脈、巖株?duì)畹惹秩胗谧冑|(zhì)砂巖中。

對(duì)研究區(qū)主要斷層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，斷層主要呈NW和NE向延伸，一共有4組優(yōu)勢(shì)方向：①245°∠27°；②228°∠81°；③104°∠26°；④136°∠64°。

水電站地下廠房布置在金沙江右岸雄厚山體內(nèi)部，洞室群長軸方向?yàn)镹E25°。廠房系統(tǒng)主要由1個(gè)主廠房、1個(gè)主變室、1個(gè)尾水調(diào)壓室、6個(gè)母線洞、6個(gè)尾水洞以及其他輔助洞室等部分組成。其中主廠房的邊墻最高達(dá)到77.2m，最大寬度達(dá)到27.6m，屬于高邊墻、大跨度的大型地下洞室群。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，地下洞室群開挖以后采用錨桿＋錨索的系統(tǒng)支護(hù)措施（圖1）。其中錨桿和錨索設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）錨桿：直徑32mm，間、排距3m，深入巖石9m，外露0.1m，變形模量20GPa，抗拉強(qiáng)度0.3 MN。

（2）錨索：采用1 750kN預(yù)應(yīng)力錨索，間、排距4.5m，長度25m，變形模量200GPa。

圖1 地下廠房洞室群系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)Fig.1 Designing the systematic supporting structure of underground powerhouses

3 地下廠房開挖后有無系統(tǒng)錨桿對(duì)比分析

根據(jù)地下廠房圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)方案，建立的有限元數(shù)值計(jì)算模型見圖2，各種材料計(jì)算參數(shù)見表1，錨桿和錨索參數(shù)見前面設(shè)計(jì)參數(shù)。計(jì)算分兩步完成，第一步為山體原始狀態(tài)，第二步為地下廠房開挖以后（地下廠房采用一次性開挖成型）。為了對(duì)比分析研究，在本次研究工作中分別建立兩個(gè)計(jì)算模型：一個(gè)是地下廠房開挖以后沒有系統(tǒng)錨桿支護(hù)，另外一個(gè)是地下廠房開挖以后有系統(tǒng)錨桿支護(hù)。

表1 數(shù)值模型各材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of the materials in the numerical model

3.1 主應(yīng)力對(duì)比分析

圖2 地下廠房洞室群數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical model of underground powerhouses

地下廠房開挖以后，三大洞室在有系統(tǒng)錨桿支護(hù)和無系統(tǒng)錨桿支護(hù)情況下各處最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖3和圖4。從圖中計(jì)算結(jié)果可知，最大主應(yīng)力在主廠房拱頂和右邊墻底、主變室右邊墻底、尾閘室拱頂和地板處有集中現(xiàn)象。為了進(jìn)一步分析施加系統(tǒng)錨桿對(duì)圍巖最大主應(yīng)力的影響，將兩種情況下地下廠房各處最大主應(yīng)力量值匯總于表2中。從表2最大主應(yīng)力對(duì)比分析結(jié)果可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）施加系統(tǒng)錨桿以后，主廠房右邊墻底最大主應(yīng)力降低了6.5MPa，有較大幅度的降低；其次是在右邊墻頂部，最大主應(yīng)力降低了2.16MPa。而在右邊墻中部最大主應(yīng)力增大了1MPa左右，其余地方最大主應(yīng)力量值變化不大。

圖3 無系統(tǒng)錨桿支護(hù)情況下圍巖最大主應(yīng)力（單位：MPa）Fig.3 Max main stress of wall－rocks without systematic anchors（MPa）

圖4 有系統(tǒng)錨桿支護(hù)情況下圍巖最大主應(yīng)力（單位：MPa）Fig.4 Max main stress of wall－rocks with systematic anchors（MPa）

（2）施加系統(tǒng)錨桿以后，主變室右邊墻底部最大主應(yīng)力降低了2.17MPa，右邊墻頂部最大主應(yīng)力降低了1.08MPa。在底板中部和左邊墻中部最大主應(yīng)力增大了1MPa左右，其余地方最大主應(yīng)力量值變化不大。

（3）施加系統(tǒng)錨桿以后，尾閘室底板中部最大主應(yīng)力增大3.25MPa，其余地方最大主應(yīng)力量值變化不大。

（4）從計(jì)算結(jié)果可知，施加系統(tǒng)錨桿以后，部分地方最大主應(yīng)力變化不大，如主變室拱頂和左拱角處，這主要是由于應(yīng)力調(diào)整的結(jié)果，并且系統(tǒng)錨桿對(duì)最大主應(yīng)力影響較小，因此有些地方有無系統(tǒng)錨桿最大主應(yīng)力量值差別不大。

從上面的對(duì)比分析結(jié)果可知，施加系統(tǒng)錨桿以后，地下廠房各處最大主應(yīng)力有升有降，其中最大主應(yīng)力降低幅度最大的地方出現(xiàn)在主廠房右邊墻底部，降低了6.5MPa；最大主應(yīng)力增大幅度最大的地方出現(xiàn)在尾閘室底板中部，增大了3.26MPa。總體來說，施加系統(tǒng)錨桿相比沒有施加系統(tǒng)錨桿對(duì)主應(yīng)力的影響不是特別明顯。

表2 有無系統(tǒng)錨桿情況下地下廠房圍巖各處最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 2 Max main stress of wall－rocks in underground powerhouses without anchors and with anchors

3.2 位移對(duì)比分析

地下廠房開挖以后，計(jì)算得到的有無系統(tǒng)錨桿支護(hù)情況下圍巖的位移見圖5和圖6。從圖中可知，總體而言，圍巖出現(xiàn)明顯向臨空面的卸荷回彈趨勢(shì)。無系統(tǒng)錨桿支護(hù)情況下，位移量最大的地方出現(xiàn)在主廠房右邊墻中部，位移量達(dá)到5.2cm；其次是在主廠房左邊墻中部和尾閘室右邊墻中部，位移量為4.8cm。而在施加系統(tǒng)錨桿以后，最大位移量出現(xiàn)的地方是主廠房左邊墻中部，位移量為4.8 cm；其次是尾閘室有邊墻中部，位移量為4.4cm。

圖5 無系統(tǒng)錨桿支護(hù)情況下圍巖變形（單位：m）Fig.5 Deformation of wall－rocks without systematic anchors（m）

圖6 有系統(tǒng)錨桿支護(hù)情況下圍巖變形（單位：m）Fig.6 Deformation of wall－rocks with systematic anchors（m）

為了進(jìn)一步分析施加系統(tǒng)錨桿以后對(duì)圍巖位移量的影響，將兩種情況計(jì)算得到的地下廠房各處位移量進(jìn)行對(duì)比分析，見表3。從表中對(duì)比分析結(jié)果可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）總體來說，施加系統(tǒng)錨桿以后，除了主變室右邊墻底部位移量增加了0.3cm以及主廠房左邊墻中部位移量無變化以外，在地下廠房其余地方，位移量均有明顯的降低，降低幅度從0.1cm到1.4 cm不等。

（2）施加系統(tǒng)錨桿以后，地下廠房各處位移量平均降低了0.52cm，平均降低幅度28.07%。

（3）對(duì)主廠房、主變室、尾閘室等3個(gè)地下廠房各處位移量降低幅度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（表4），施加系統(tǒng)錨桿對(duì)控制拱頂處位移量特別明顯，3個(gè)地下廠房拱頂處位移量平均降低了0.87cm，平均降幅達(dá)到51.19%；其次是邊墻頂部，位移量平均降幅在34%到47%之間，邊墻中部位移量降幅平均也在30%以上。

表3 有無系統(tǒng)錨桿情況下地下廠房各處位移量計(jì)算結(jié)果Table 3 Displacements of wall－rocks in underground powerhouses without anchors and with anchors

表4 分位置統(tǒng)計(jì)地下廠房各處位移量降低情況Table 4 Decrease of displacement in underground powerhouses

3.3 塑性破壞區(qū)對(duì)比分析

地下廠房開挖以后塑性破壞區(qū)類型和分布范圍見圖7和圖8。從圖中計(jì)算結(jié)果可知，無系統(tǒng)錨桿支護(hù)情況下，主廠房和主變室之間的圍巖基本上全部處于塑性破壞狀態(tài)。主廠房左邊墻塑性破壞區(qū)的深度達(dá)到17.4m，尾閘室左右邊墻塑性破壞區(qū)的深度分別為17.1m和10.6m。

在施加系統(tǒng)錨桿以后，主廠房和主變室之間的圍巖部分處于塑性破壞狀態(tài)。主廠房左邊墻圍巖塑性破壞區(qū)深度為12.9m，比未施加系統(tǒng)錨桿深度降低了4.5m。尾閘室左右邊墻塑性破壞區(qū)的深度分別為12.3m和8.4m，比未施加系統(tǒng)錨桿深度分別降低了4.8m和2.2m。根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果，施加系統(tǒng)錨桿以后，能有效降低地下廠房圍巖塑性破壞區(qū)的深度，這對(duì)于提高地下洞室群的整體穩(wěn)定性是有利的。

3.4 整體穩(wěn)定性對(duì)比分析

圖7 無系統(tǒng)錨桿支護(hù)情況下的塑性破壞區(qū)（x－剪破壞，O－拉破壞）Fig.7 Plastic damage zone without systematic anchors（?－tension fracture；×－shear fracture）

圖8 有系統(tǒng)錨桿支護(hù)情況下的塑性破壞區(qū)（x－剪破壞，O－拉破壞）Fig.8 Plastic damage zone without anchors and with anchors（?－tension fracture；×－shear fracture）

采用強(qiáng)度系數(shù)折減法對(duì)地下洞室群開挖以后的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，具體思路是：首先定義一個(gè)強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)SRF，然后在計(jì)算的過程中將模型中材料的強(qiáng)度參數(shù)（內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦系數(shù)f）不斷地降低，也就是將材料的強(qiáng)度參數(shù)除以SRF（該材料的其他參數(shù)如變形模量等不變），計(jì)算得到在不同SRF的情況下，對(duì)應(yīng)的地下洞室群位移。當(dāng)位移出現(xiàn)較大的增加時(shí)，即SRF與最大位移曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的SRF即為地下洞室群的安全儲(chǔ)備，計(jì)算得到整體破壞時(shí)的SRF值可以反映地下廠房洞室群整體安全的程度。

采用強(qiáng)度系數(shù)折減法計(jì)算得到的地下廠房開挖以后有無系統(tǒng)錨桿支護(hù)情況下的整體穩(wěn)定性系數(shù)見圖9。隨著SRF的增加，最大總位移也隨之增加，當(dāng)SRF增大到一定數(shù)值后，總位移有較大幅度的增加，曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。此時(shí)對(duì)應(yīng)的SRF即為地下廠房洞室群整體穩(wěn)定性系數(shù)：有系統(tǒng)錨桿支護(hù)地下廠房洞室群整體穩(wěn)定性系數(shù)K＝2.23；沒有系統(tǒng)錨桿支護(hù)地下廠房洞室群整體穩(wěn)定性系數(shù)K＝2.07。

圖9 有無系統(tǒng)錨桿情況下地下廠房洞室群整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.9 Stability of underground powerhouses without anchors and with anchors

4 結(jié)論

通過前面的分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）地下廠房洞室群在開挖以后，施加系統(tǒng)錨桿相對(duì)未施加系統(tǒng)錨桿而言，主廠房和主變室右邊墻底部和頂部、尾閘室底板中部最大主應(yīng)力有所降低；而主廠房右邊墻中部、主變室底板中部和左邊墻中部最大主應(yīng)力有所增大；在其余地方最大主應(yīng)力量值變化較小。因此，總體來說，施加系統(tǒng)錨桿對(duì)圍巖主應(yīng)力的影響不大。

（2）施加系統(tǒng)錨桿對(duì)圍巖位移量的影響較大。施加系統(tǒng)錨桿以后，地下廠房圍巖絕大部分地方位移量有明顯的降低，降低幅度在8.33%到78.57%之間，平均降低了28.07%。其中對(duì)拱頂處位移量降低幅度是最大的，平均降低51.19%。其次是邊墻頂部，位移量平均降幅在34%到47%之間，邊墻中部位移量降幅平均也在30%以上。

（3）施加系統(tǒng)錨桿對(duì)圍巖塑性破壞區(qū)的分布深度也有明顯的影響。施加系統(tǒng)錨桿以后，不僅主廠房和主變室之間圍巖的塑性破壞區(qū)減少，而且主廠房左邊墻、尾閘室左右邊墻塑性破壞區(qū)的分布深度也有明顯降低。其中主廠房左邊墻塑性破壞區(qū)分布深度降低4.5m；尾閘室左右邊墻塑性破壞區(qū)分布深度分別降低4.8m和2.2m。

（4）施加系統(tǒng)錨桿能一定程度提高地下廠房洞室群整體穩(wěn)定性。有無系統(tǒng)錨桿支護(hù)地下廠房洞室群整體穩(wěn)定性系數(shù)分別為2.23和2.07。

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NUMERICAL ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF SYSTEMATIC ANCHORS ON THE STABILITY OF UNDERGROUND POWERHOUSES

Zhou Hong－fu1，Nie De－xin2，Wang Chun－shan1
（1.Chengdu Institute of Geology ＆ Mineral Resources，Chengdu 610081，China；2.Environment ＆Civil Engineer College，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

The differences of whether the powerhouses are supported by systematic anchors are studied with the method of numerical analysis to explore the influence of systematic anchors on the stability of underground planthouses.The results show that systematic anchors don＇t influence the principal stress of wall－rocks much while they can increase the holistic stability.They reduced the average displacement by 28.07%，the displacement at vaults and tops more than 34%and the depth of the plastic damage zone at the main powerhouse and end chambers by 2.2～2.4m.

Systematic anchors；underground planthouses；stability；numerical analysis

周洪福1，聶德新2，王春山1

（1.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，成都 610081；2成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059）

P642

A

1006－4362（2011）03－0067－07

2011－05－23 改回日期：2011－07－25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：40372127）

周洪福（1980－ ），男，博士，主要從事工程巖土體穩(wěn)定性和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等方面的研究工作。