軟巖力學(xué)參數(shù)取值對(duì)洞室圍巖變形應(yīng)力及塑性區(qū)影響的敏感性分析

陳張華，陳昱彤，鄧 洋，虞東亮，張 恒

(1.重慶蟠龍抽水蓄能有限公司，重慶401452；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098)

0 引 言

利用有限元法模擬地下洞室群開(kāi)挖過(guò)程，計(jì)算結(jié)果與巖石力學(xué)參數(shù)的關(guān)系密切[1]。對(duì)巖石參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，為精細(xì)化選取參數(shù)提供了有效途徑，同時(shí)也能提高模擬結(jié)果的可靠性[2]。在地下洞室圍巖力學(xué)參數(shù)敏感性研究方面，侯哲生等[3]、孫毅等[4]、申艷軍等[5]先后對(duì)不同的地下洞室群巖石力學(xué)參數(shù)的敏感性問(wèn)題進(jìn)行了分析；蔣兵等[6]討論了Unwedge程序在敏感性分析上的應(yīng)用；王振等[7]提出了基于EFAST法的地下洞室靜動(dòng)力穩(wěn)定參數(shù)全局敏感性分析方法；聶衛(wèi)平等[8]提出了基于彈塑性有限元的洞室穩(wěn)定性參數(shù)敏感性灰關(guān)聯(lián)分析方法。上述研究對(duì)于分析地下洞室群圍巖力學(xué)參數(shù)敏感性有重要意義，但計(jì)算模型未考慮所有洞室開(kāi)挖的影響。

目前，針對(duì)地下廠房全洞室開(kāi)挖過(guò)程，軟巖區(qū)力學(xué)參數(shù)敏感性問(wèn)題的研究相對(duì)較少。為此，本文以蟠龍抽水蓄能電站地下洞室群為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究廠區(qū)軟巖力學(xué)參數(shù)取值對(duì)地下廠房圍巖的影響，從而對(duì)軟巖力學(xué)參數(shù)敏感性問(wèn)題進(jìn)行討論。

1 工程概況

蟠龍抽水蓄能電站建筑物主要包括上水庫(kù)、下水庫(kù)、地下廠房系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)等。其中，地下廠房系統(tǒng)按尾部式布置，包含4機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)1 200 MW。洞室上覆巖體厚度約為40～480 m，洞室開(kāi)挖區(qū)主要分布有6層軟巖層。主廠房開(kāi)挖尺寸為169.00 m×24.00 m×54.425 m(長(zhǎng)×寬×高)，主變洞開(kāi)挖尺寸為139.40 m×20.30 m×21.20 m(長(zhǎng)×寬×高)。主廠房、主變洞、軟巖分布見(jiàn)圖1。

圖1 1號(hào)機(jī)組段主廠房、主變洞及其軟巖分布

2 有限元模型

采用模擬所有洞室開(kāi)挖過(guò)程三維有限元計(jì)算模型，對(duì)地下廠房洞室群施工過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，分析軟巖參數(shù)對(duì)地下洞室群穩(wěn)定的敏感性特點(diǎn)。根據(jù)主廠房位置及洞室布置形式、斷面尺寸，模擬地下廠房洞室群實(shí)際洞體結(jié)構(gòu)，包括主廠房、主變室、主變運(yùn)輸洞、進(jìn)廠交通洞、母線洞、排風(fēng)洞、通風(fēng)兼安全洞、引水隧洞、尾水隧洞、高壓電纜平洞、施工支洞(3、4、5、6號(hào))、廠頂錨固洞、環(huán)繞主廠房和主變室外圍3層排水兼錨固洞、排風(fēng)機(jī)房、送風(fēng)機(jī)房、主廠房送排風(fēng)洞、主變室送排風(fēng)洞、檢修排水廊道、聯(lián)系廊道、高壓電纜豎井、排風(fēng)豎井，以及對(duì)廠房區(qū)圍巖穩(wěn)定影響較大的6層軟巖。

計(jì)算坐標(biāo)系：以主廠房1號(hào)機(jī)組中心為坐標(biāo)原點(diǎn)位置；以主廠房軸線為x軸，指向副廠房方位為正方向；以水平面內(nèi)垂直x軸為y軸，指向主變室方位為正方向；以豎直方向?yàn)閦軸，以豎直向上為正方向。

計(jì)算范圍：按主廠房、主變室洞周圍巖影響范圍選取計(jì)算區(qū)間，主廠房左側(cè)墻向外延伸800 m，右側(cè)墻延伸350 m；主廠房上游墻向外延伸425 m；主變室下游墻延伸250 m；主廠房底板底面向下延伸250 m，向上取至地表表面。

計(jì)算模型：模型計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為649 612個(gè)，單元數(shù)為3 802 630個(gè)。計(jì)算采用Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則。地下廠房有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

圖2 地下廠房有限元網(wǎng)格

圍巖特征：計(jì)算范圍內(nèi)洞室圍巖分布以III類為主、IV類次之、V類最少，占比分別為75%、20%與5%。III類圍巖主要為紫紅色中細(xì)粒砂巖、礫巖、含礫粗砂巖；IV類圍巖主要為礫巖、粉砂巖；V類圍巖主要為泥質(zhì)粉砂巖、泥巖。本文中的軟巖指IV類與V類圍巖。

施工過(guò)程：地下廠房洞室群共分17個(gè)開(kāi)挖步，前7步主要是通風(fēng)安全洞、主變排風(fēng)洞、錨固洞及施工支洞等，第8步開(kāi)始主廠房開(kāi)挖。

3 軟巖參數(shù)敏感性分析

圍巖變形模量試驗(yàn)值為區(qū)間量，以軟巖變形模量取上限值為工況1，取下限值為工況2，分析地下廠房的位移、應(yīng)力及塑性區(qū)特征。2種工況下洞室圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。從表1可知，工況2與工況1相比，IV類圍巖變形模量減小了7.14%，V類圍巖變形模量減小了66.67%。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 廠區(qū)最大位移與應(yīng)力值

表2為2種工況下廠區(qū)部分位置的最大位移、最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力。其中，硬巖位置為主廠房上游墻、主廠房下游墻、主變室上游墻、主變室下游墻，軟巖值取自軟巖層較厚的軟巖6。從表2可知，軟巖變形模量降低后對(duì)洞周變形影響明顯，洞周圍巖的變形普遍增大，主廠房頂拱鉛直向下的位移由32.35 mm增大至34.97 mm，增幅達(dá)8.10%；主廠房上游墻軟巖沿水流方向的位移由50.18 mm增大到59.21 mm，增幅為18%；主廠房端墻軟巖沿廠房軸線方向的位移由24.23 mm增大至27.44 mm，增幅達(dá)13.25%。軟巖變形模量降低對(duì)主廠房洞周應(yīng)力影響不明顯，主廠房洞周圍巖主拉應(yīng)力由0.837 MPa減小至0.835 MPa，降幅為0.35%；主廠房洞周圍巖主壓應(yīng)力由-33.81 MPa增大至-34.51 MPa，增幅為2.07%。2種工況下主廠房塑性區(qū)分布規(guī)律一致，塑性區(qū)延伸深度差別在10%以內(nèi)。

圖3 工況1主廠房上游墻位移云圖(單位：m)

2種工況的位移、應(yīng)力及塑性區(qū)分布基本一致，量值有明顯差異，圖3為工況1主廠房上游墻(含硬巖與軟巖)3個(gè)方向位移分布云圖。從圖3可知，沿廠房軸線方向的變形最大值出現(xiàn)在主廠房?jī)蓚?cè)端墻，均為收斂變形。其中，端墻開(kāi)挖高度較小一側(cè)最大變形值為-18 mm，端墻開(kāi)挖高度較大一側(cè)最大變形值為24.23 mm。沿水流方向的變形最大值位于側(cè)墻中部，達(dá)到50.18 mm。沿鉛直方向變形最大值出現(xiàn)在廠房頂拱與底板位置，其中，頂拱變形主要為鉛直向下，達(dá)到-32.35 mm，底板變形主要為回彈變形，達(dá)到39.14 mm。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以蟠龍抽水蓄能電站地下洞室群為對(duì)象，進(jìn)行了軟巖力學(xué)參數(shù)敏感性分析，研究軟巖參數(shù)對(duì)地下廠房穩(wěn)定的影響。結(jié)果表明，軟巖變形模量降低后對(duì)廠區(qū)的位移、應(yīng)力狀態(tài)、塑性區(qū)均有影響，其中對(duì)位移影響最為顯著，主廠房沿水流方向硬巖的位移增幅達(dá)16.10%、軟巖的增幅達(dá)18%；應(yīng)力和塑性區(qū)的變化均在10%之內(nèi)。建議在地下洞室群有限元模擬時(shí)，增加對(duì)軟巖力學(xué)參數(shù)的敏感性分析，結(jié)合不同參數(shù)下的廠區(qū)變形特征，綜合確定敏感性高的危險(xiǎn)區(qū)域，為洞室設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。