轎頂子電站地下廠房加錨支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬研究

崔國強(qiáng)

（遼寧七星湖旅游開發(fā)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000）

1 工程背景

轎頂子電站為遼寧省東部六股河干流上重要的在建水利工程[1]，其壩址位于寬甸滿族自治縣太平哨鎮(zhèn)轎頂子村境內(nèi)。工程建成后可以有效緩解當(dāng)?shù)赜秒娋o張問題，同時，還可以大幅提高電站下游的防洪標(biāo)準(zhǔn)。電站的主要建筑物包括混凝土重力壩、副壩、溢洪道、泄洪洞及引水發(fā)電系統(tǒng)。其中，電站引水發(fā)電系統(tǒng)的地下廠房位于左側(cè)山體內(nèi)，圍巖主要由微風(fēng)化-新鮮中粗?；◢弾r組成。地質(zhì)條件相對較好，圍巖巖體的完整度較高，單軸抗壓強(qiáng)度在100 MPa 以上。由于地下廠房的洞室尺寸較大，在施工過程中采取分層、分區(qū)的順序自上而下逐層開挖的施工模式，一層開挖完畢后再進(jìn)行下一層開挖，開挖后的圍巖巖體采用錨桿＋預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)形式[2]。在保證施工安全的前提下盡量控制施工成本，此次研究利用數(shù)值模擬的方式，探討加錨支護(hù)錨索設(shè)計參數(shù)對圍巖安全穩(wěn)定性的影響，以便為工程設(shè)計和建設(shè)提供必要的支持。

2 計算模型

2.1 計算模型的構(gòu)建

在彈塑性本構(gòu)模型下，地下洞室工程開挖、支護(hù)時的錨索支護(hù)效應(yīng)研究對工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義和作用[3]。但是，對流變現(xiàn)象比較顯著的超大型地下洞室工程而言，其開挖和支護(hù)過程并不是在瞬間完成的，因此，在計算過程中必須要考慮圍巖變形的時間和空間效應(yīng)[4]。此次研究利用FLAC3D 三維有限元數(shù)值計算軟件，以Mohr-coulomb 模型和Burger 蠕變材料組合模型為基礎(chǔ)，對背景工程的開挖施工過程及支護(hù)效應(yīng)進(jìn)行模擬，以獲取最佳的錨索設(shè)計方案。

在背景工程幾何模型的構(gòu)建過程中，以廠房洞軸線方向?yàn)閅軸正方向，以垂直于Y軸指向右側(cè)的方向?yàn)閄軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向建立坐標(biāo)系。計算區(qū)域的尺寸對保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性十分重要，在選擇過程中需要考慮計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算的工作量[5]。結(jié)合工程設(shè)計方案中地下廠房的幾何尺寸及開挖過程中對圍巖卸荷影響范圍的研究成果，確定模型在X軸、Y軸和Z軸方向上的總體尺寸為100 m×300 m×200 m。對于構(gòu)建的幾何模型，圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬，其中圍巖巖體視為彈塑性材料，錨索和錨桿采用Cable 單元，暫時不考慮其他支護(hù)方式[6]。按照上述思路將模型劃分為798 700個網(wǎng)格單元，883 469 個節(jié)點(diǎn)。

2.2 約束條件和計算參數(shù)

在模型計算過程中，將廠房圍巖的巖體視為內(nèi)部材料均勻分布，由于地下水的滲透作用極為有限，因此不考慮地下水的作用；由于廠房的埋深較大，因此，將應(yīng)力場視為均布載荷；將圍巖的巖體介質(zhì)視為連續(xù)理想塑性介質(zhì)，同時考慮其蠕變變形作用，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和Burger準(zhǔn)則[7]。

在模型計算過程中，對模型的底面施加全位移約束，不產(chǎn)生任何方向的位移變形；對模型的四周施加豎向位移約束，模型的頂面為自由邊界條件。鑒于地下廠房埋深較大，在模型的上表面采用應(yīng)力邊界條件，通過對上部巖體自重的計算，在模型的上表面施加4.5 MPa 的壓力，以模擬上部巖體自重的影響[8]。

相似模擬效果和工程真實(shí)情況的接近度與模型材料的物理力學(xué)參數(shù)具有密切關(guān)系，因此，在研究中對工程現(xiàn)場圍巖的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測定，并對比相關(guān)施工規(guī)范和技術(shù)資料，最終確定模型材料物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計算方案

研究中選擇錨索的間距、長度及預(yù)緊力作為主要變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在原始設(shè)計方案（錨索間距3 m、錨索長13 m、預(yù)緊力2 000 kN）的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和施工規(guī)范，設(shè)計錨索的間距、長度及預(yù)緊力的不同水平。其中，錨索的間距設(shè)計7，6，5，4，3，2 m 等6 種不同的水平；錨索長度設(shè)計5 ，7，9 ，11，13，15 m 等6 種不同的水平；預(yù)緊力選擇1 700 ，1 800，1 900，2 000 ，2 100，2 200 kN等6 種不同水平進(jìn)行計算。為了減小計算量，在模擬計算過程中保持兩個因素水平不變，對另一個因素在不同設(shè)計水平下的圍巖位移量進(jìn)行模擬計算，并根據(jù)計算結(jié)果獲得各因素的最佳設(shè)計值，最終獲取錨索的最佳設(shè)計方案。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 錨索間距

利用構(gòu)建的數(shù)值計算模型，在保持錨索長度為9 m、預(yù)緊力為2 000 kN 不變的情況下，對不同錨索間距方案下的地下廠房位移變形量進(jìn)行模擬計算。鑒于廠房左右兩側(cè)的位移變形基本呈對稱分布，因此，在計算結(jié)果中提取拱頂、左邊墻和左拱腰等3 個關(guān)鍵部位的總位移量，結(jié)果見表2。由表2 可以看出，不同的錨索間距方案下廠房圍巖關(guān)鍵部位的位移量存在比較明顯的差異，因此，錨索間距是圍巖位移的重要影響因素。

表2 不同錨索間距位移計算結(jié)果

為進(jìn)一步觀察錨索間距對廠房圍巖位移的影響規(guī)律，以表2 中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制廠房不同位置位移量隨錨索間距的變化曲線，見圖1。由圖1可以看出，地下廠房各關(guān)鍵部位的位移量隨著錨索間距的增大而增大。其中，左邊墻的位移量受錨索間距的影響較為顯著，當(dāng)錨索間距大于4 m時，其位移量會顯著增大，其余兩個部位的位移量受錨索間距的影響相對較小。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和工程成本，背景工程錨索間距的最佳值應(yīng)為4 m。

圖1 關(guān)鍵部位位移量隨錨索間距變化曲線

3.2 錨索長度

利用構(gòu)建的數(shù)值計算模型，在保持錨索間距為4 m、預(yù)緊力為2 000 kN 不變的情況下，對不同錨索長度方案下的地下廠房位移變形量進(jìn)行模擬計算。從計算結(jié)果中提取拱頂、左邊墻和左拱腰等3 個關(guān)鍵部位的總位移量，結(jié)果見表3。根據(jù)計算結(jié)果繪制廠房不同位置位移量隨錨索長度的變化曲線，見圖2。由表3 和圖2 可以看出，錨索的長度是地下廠房圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)位移量的重要影響因素，可以對各個關(guān)鍵部位的位移量造成比較顯著的影響。從變化規(guī)律來看，隨著錨索長度的增加，各部位位移量呈現(xiàn)出迅速減小并逐漸趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)。具體來看，當(dāng)錨索長度小于11 m時，各關(guān)鍵部位的位移量隨著錨索長度的增加而迅速減??；當(dāng)錨索長度大于11 m 時，位移量的減小幅度較為有限。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程的經(jīng)濟(jì)性，建議在工程施工中采用長度為11 m 的錨索。

圖2 關(guān)鍵部位位移量隨錨索長度變化曲線

表3 不同錨索長度位移計算結(jié)果

3.3 預(yù)緊力

利用構(gòu)建的數(shù)值計算模型，在保持錨索間距4 m、長11 m 不變的情況下，對不同錨索預(yù)緊力方案下的地下廠房位移變形量進(jìn)行模擬計算。從計算結(jié)果中提取拱頂、左邊墻和左拱腰等3 個關(guān)鍵部位的總位移量，結(jié)果見表4。根據(jù)計算結(jié)果繪制出廠房不同位置位移量隨錨索預(yù)緊力的變化曲線，見圖3。由表4 和圖3 可以看出，錨索預(yù)緊力對廠房位移量存在一定的影響，但是影響程度明顯小于錨索的長度和間距。同時，由圖3可以看出，隨著錨索預(yù)緊力的增大，各個關(guān)鍵部位的位移量均呈現(xiàn)出不斷減小的變化特點(diǎn)，且呈現(xiàn)出比較顯著的線性特征，但是減小的幅度較為有限。因此，結(jié)合計算結(jié)果和工程實(shí)際，保持原設(shè)計方案中2 000 kN 的錨索預(yù)緊力不變。

表4 不同錨索預(yù)緊力位移計算結(jié)果

圖3 關(guān)鍵部位位移量隨錨索預(yù)緊力變化曲線

4 結(jié)論

水電站地下廠房為高邊墻洞室結(jié)構(gòu)，其安全穩(wěn)定性對電站的運(yùn)行和功能發(fā)揮具有重要作用。此次研究利用數(shù)值模擬的方式，探討了轎頂子電站地下廠房支護(hù)加固中錨索設(shè)計參數(shù)對廠房結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果顯示，錨索間距和錨索長度對位移量影響比較明顯而錨索預(yù)緊力對廠房關(guān)鍵部位的位移量影響較小，不屬于廠房變形的主要影響因素。同時，結(jié)合計算結(jié)果和工程經(jīng)濟(jì)性，建議將原方案中的錨索間距增加至4 m、錨索長度減小至11 m，錨索預(yù)緊力保持2 000 kN 不變。此次研究的支護(hù)錨固主要考慮了初始地應(yīng)力的影響，對地下水的影響沒有涉及，在后續(xù)研宄中還應(yīng)進(jìn)一步開展多場耦合作用下的支護(hù)控制研究。