彭水电站地下厂房开挖支护全过程的数值模拟

陈 浩，谢运黎，李勉伟，李 敏，郭先友

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.广州市水电建设工程有限公司，广东广州 510600；3.孝感市水利勘测设计院，湖北孝感 432100；4.中国水电建设集团港行建设有限公司，天津 300457）

1 引言

地下空间的开发和利用既是当代施工技术水平和科学技术水平发展的一种体现，又是当今人类物质文明进步发展的必然趋势。目前我国的地下工程建设方兴未艾，如城市地铁、过江隧道、水电站地下厂房、水工隧洞、煤炭矿山井巷工程、重大军用国际工程等。仅以水电工程而言，西南、西北地区一系列大型乃至巨型水电站如金沙江溪洛渡、向家坝、白鹤滩、雅砻江锦屏、澜沧江小湾以及黄河拉西瓦水电站等相继建设。在开发西部高山峡谷地区丰富的水能资源时，须布置规模庞大的发电机群。受地形、空间因素的制约，地下厂房往往是最经济，最有效的选择方式，有时也是唯一的选择[1-3]。

迄今为止的地下工程实践已经揭示了工程围岩破坏可以概括地分为两大类，一类是应力控制型破坏；另一类是块体控制型破坏，也称结构面控制型破坏或重力型破坏。两者各有其发生条件[4]。在地下工程开挖施工过程中，围岩应力条件和围岩岩体临空条件是不断变化，给定位置上围岩的破坏方式也因此可以发生变化，从而给具体的判断增加了难度。即便如此，已有的经验和知识还是可以帮助我们根据围岩岩体条件和地下工程设计参数事先在宏观上估计和评价围岩潜在的问题[5]。

笔者以彭水电站的地下厂房开挖为背景，运用有限差分的数值分析方法（FLAC），结合彭水电站的地质资料和地应力分布规律，模拟地下厂房开挖，分析厂房开挖后围岩位移与变形规律，并与实测资料对比，研究围岩塑性区的空间分布特征，定量地分析开挖支护前后塑性区方量的变化，评价支护的有效性。

2 工程概况与开挖模型

2.1 工程地质条件与模型概化

彭水水利水电枢纽水电站是一装机容量1 750 MW的大型综合性水电工程，枢纽主要建筑物由弧形混凝土重力坝、右岸地下厂房和左岸通航建筑物组成。其中，右岸地下厂房洞室群主要由主厂房洞（包括安装间）、5条母线洞、5条引水隧洞、5条尾水支洞及调压井组成。主厂房轴线方位203°，主厂房洞室尺寸252 m（长）×30 m（宽）×78.5 m（高），洞顶高程248 m，洞底高程169.5 m。地下厂房洞室群的平面布置及其中的5#机组洞室剖面形态，如图1所示。

彭水电站整体布局以及地下厂房所有机组段的结构特点都相似，建立一个机组段的模型即有足够的代表性。基于以上考虑，以3#机组洞室群作为研究对象，模拟了主厂房的3#机组洞段、厂房附近的3#引水洞、3#母线洞和3#尾水洞。建立模型的精度原则上建筑物边界精确到0.1，对厂房底部的结构形态进行了适当简化处理，尾水洞与主厂房连接部位的形态也和设计存在较小差别。由于引水洞、母线洞以及尾水扩散段的不规则，造成主厂房的一些轮廓线条大小不一，划分映射网格有一定困难，综合各种因素确定在模型各条线合理分段的情况下对整体模型进行自由划分。

图1 厂房平面布置及剖面（单位/m）

计算采用工程中常用的摩尔-库伦模型，根据相关的工程资料，计算模型中的相关参数，见表1。

表1 模型计算的物理参数

模型四周法向约束，底部三向约束，材料模型采用弹塑性摩尔－库伦模型。根据实际施工开挖方案，在计算分析中分为10步，其中主厂房分10步开挖完成、母线洞和引水洞分2步开挖完成、尾水洞分3步开挖完成，具体开挖顺序见表2。

表2 模拟开挖方案

2.2 厂房支护的模拟方法

本模型中对锚杆和锚索的模拟具有以下基本特点：

（1）模型中的每一根锚杆/锚索都和实际中的单根锚杆/锚索一一对应，没有等效概念。

（2）模型中锚杆/锚索的安装顺序与设计原则一致，即进行下一个梯段开挖前对已开挖部分进行加固，体现了施工过程的仿真模拟。

（3）模型中锚索和锚杆（包括岩锚梁锚杆）的安装时机，原则上是其所在部位被“开挖”揭露出来以后、下一步开挖之前。

模型中的锚固系统，如图2所示。在本模型中共安装了3 250根锚杆，根据设计资料，锚杆支护方案如下：

（1）顶拱：90 kN中空注浆张拉锚杆，Φ32@1.5 m× 1.5 m，L=8、10 m相间布置。

（2）边墙：1 500 kN预应力锚索@4.5 m×4.5 m，L=20或25 m，锚索与水平面成10°上仰夹角布置；砂浆锚杆，Φ32@1.5 m×1.5 m，L＝6、9 m相间布置。

3 地下厂房开挖全过程数值模拟

3.1 开挖过程中围岩的变形与应力分布规律

以下计算结果表示中，拉应力为正，压应力为负，单位为MPa；其中，ux、uy和uz分别表示节点沿x轴、y轴和z轴的位移，位移的正负号与坐标轴正负方向一致，u表示节点的合位移（取绝对值），单位为mm。图3为开挖完成后厂房机组中心线的位移矢量图，从图中位移矢量的方向可以看出开挖后岩体均向洞内变形，这符合地下洞室开挖围岩变形的一般规律。

图2 模型中由锚索、普通锚杆组成的锚固系统

主厂房分10步开挖。开挖后，周边围岩均沿主厂房洞径向朝内位移，围岩顶拱也有一定下沉，边墙以及底板也都有所变形。随着开挖的一步步进行，洞室周边变形逐渐增大。开挖完成后主厂房顶拱的变形量为5～7.5 mm，最大垂直位移（向下）为9.67 mm。整体来说，下游边墙变形量要大于上游边墙，其最大位移值为21.99 mm，大致分布在页岩与灰岩的分界面处，与监测资料一致。上游处边墙位移为7.5～10mm，底板存在回弹变形，一般为5～7 mm，与实测资料的6.46 mm较为接近。

图3 厂房机组中心线剖面的位移矢量

母线洞开挖完成后，洞周围岩的变形一般为7.5～10 mm。

引水洞开挖完成后，洞周围岩除了向洞内径向变形外，同时还随主厂房上游边墙一起朝主厂房纵轴方向变形。洞周围岩的变形一般为8～10 mm。

尾水洞开挖完成后，洞周围岩除向洞内径向变形外，沿上游水流方向也有一定位移。围岩的变形一般为8～10 mm。每步开挖进行后的位移等值线云图，如图4所示。

在计算过程中设置17个典型位置的监测点，以记录开挖过程中该位置的位移变化过程，同时也方便与实测资料中典型位置的测点位移相比较。图5为下游边墙某一位置监测点的位移变化曲线。

图5 下游边墙监测点的位移变化曲线

根据现场检测，厂房开挖至201.0 m高程时，几个典型位置的多点位移计变形实测值与计算的变形量见表3。由于位移检测的滞后性以及多点位移计检测的相对性，计算结果稍大于实测值，这符合一般规律，且两者具有较强的可比性，总体上说明了笔者的模型及参数选择合适，计算结果可信。

表3 计算位移与检测位移对比 mm

（1）主厂房全断面开挖后，主厂房顶拱仍处于受压状态，最大的压应力为9.0～11.0 MPa。在开挖过程中，主厂房边墙切向应力随开挖步增大，径向应力逐渐减小。主厂房的上下游边墙中部都出现了一定深度的应力松弛区，最大主应力在4 MPa之内，边墙低应力区基本上也就是围岩松动区。另外，主厂房底部围岩应力场规律良好，最大主应力为8～10 MPa。

（2）母线洞的顶部和底部都出现了明显的应力松弛，该部位围岩基本处于较低应力状态，靠近主厂房方向压应力逐渐减小，在与主厂房交接处甚至出现了少数拉应力区。在母线洞远离厂房一端出现了一定的应力集中，最大主应力约为16 MPa。

（3）引水洞的应力状态与母线洞类似，出现了明显的应力松弛，该部位围岩基本处于较低应力状态，靠近主厂房方向压应力逐渐减小，直至出现少数拉应力区。在引水洞远离厂房一端出现了一定的应力集中，最大主应力约为18 MPa。

（4）在尾水洞的顶部和底部围岩内出现了一定的应力集中现象，最大主应力约为20 MPa；两侧边墙的围岩应力出现了明显的应力松弛现象，基本处于低应力状态，约为1 MPa。

3.2 开挖过程中围岩塑性区的空间分布特征

地下洞室群开挖完成采用锚杆支护后，在主厂房周围产生了零星的塑性区，其中在主厂房下有边墙出现的较多。图6为开挖完成后的塑性区分布图。

图6 开挖完成后机组中心线剖面的塑性区

图4 主厂房开挖全过程位移矢量云图

总体来看，主厂房围岩塑性区屈服以剪切破坏为主，其次为张拉破坏。每一步开挖后的塑性区方量均有所增加，仅统计第一次开挖围岩出现的剪切塑性区的方量为1122.3m3，张拉塑性区的方量为6304.8 m3，第十次开挖围岩出现的剪切塑性区的方量为38 310 m3，张拉塑性区的方量为24 480 m3。岩体天支护条件下，塑性区的分布较广，对厂房围岩的稳定性有较大影响，因此需要考虑对围岩的积极支护。

3.3 围岩支护效果分析

加入锚杆支护以后，主厂房顶拱变形有所下降。主厂房顶拱的最大沉降由原来的6.08 mm降为5.57 mm。在有支护方案的情况下，整个厂房的最大位移处也就是下游边墙页岩与灰岩交界处的位移由5.23 cm降到了2.19 cm。另外，加入锚杆后，围岩的塑性区的改变状况是大部分塑性区消除。以第三次开挖为例，第三次开挖围岩出现的剪切塑性区的方量为4 619.2 m3，张拉塑性区的方量为3 876.4 m3；采用锚杆支护后，剪切塑性区的方量为50.892 m3，张拉塑性区的方量为16.874 m3，塑性区相比之前基本消除。

为了更直观地反映两者的区别，图7-8分别是某开挖步完成后有支护和无支护情况下围岩塑性区分布示意图。图9是在加入锚杆支护和不加锚杆支护的情况下的沉降量变形曲线图。

图7 有支护塑性区示意

总体而言，表征有支护的实线曲线始终在表征无支护的虚线曲线下方，从图7-9可以看出，随着开挖步的增加，岩体在有支护条件下的变形与无支护的差异逐渐增大，支护对地下厂房的稳定性效果明显。

计算结果同时表明岩体的支护效果不仅体现在当前开挖步，地下厂房的整体稳定性应是每一步开挖后有效支护的结果。

图8 无支护塑性区示意

图9 有无支护下围岩变形对比曲线

4 结论

根据以上数值模拟结果，可以得出以下结论：

（1）洞室开挖后，主厂房洞周围岩均朝洞内径向变形，厂房洞顶、上下游边墙以及底板围岩均沿着厂房中心线方向有不同程度的变形；母线洞、引水洞、尾水洞一方面朝洞内径向变形，还随主厂房下游边墙朝厂房纵轴方向变形；而尾水洞周围围岩向洞内及上游水流方向一起变形。

（2）总体来看，主厂房围岩以剪切破坏为主，其次为拉剪破坏，塑性区沿洞周都有间断分布；而塑性区大面积分布在主厂房和尾水洞相交的部位，该部位需要重点考虑支护。

（3）在考虑锚杆支护后，洞周围岩的应力以及剪切破坏的塑性区有较大变化，周围岩体的变形也有减小，这说明锚杆支护对洞室开挖效果较好；从塑性区分布图可以看出在主厂房与尾水洞相交处还存在小范围塑性区，还需进一步采取加固措施。

[1]李宁，张志强，张平.地下洞室设计新理念与仿真分析法[A].第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].北京：科学出版社，2004：45-51.

[2]莫斯特科夫BM著，王德林，卓明葆译.大断面地下建筑物[M].北京：中国建筑工业出版社，1980.

[3]郭怀志，马启超.岩体初始应力场的分析方法[J].岩土工程学报，1983，5（3）：64-75.

[4]蒋建平，章杨松，罗国煜.基于土体中结构面的岩土工程问题探讨[J].工程地质学报，2002，10（2）：160-165.

[5]陶振宇.试论岩石力学的最新进展[J].力学进展，1992，22（2）：161-172.