烏東德水電站左岸地下主廠房圍巖支護(hù)效果分析

　　摘要：地下洞室圍巖支護(hù)效果檢驗分析對于地下工程運行具有重要意義.本文在圍巖監(jiān)測分析基礎(chǔ)上，采用FLAC3D對烏東德水電站左岸地下主廠房洞室開挖過程與支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對比分析位移場、應(yīng)力場及塑性區(qū)等基本場與圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化特征，定量評價圍巖支護(hù)效果.分析結(jié)果表明，圍巖支護(hù)效果顯著，尤其是對頂拱圍巖的位移變形遏制十分有效：支護(hù)后，頂拱累計位移量值最大下降幅度達(dá)96.4%，邊墻累計位移值下降幅度達(dá)18%～25%，且變形趨于穩(wěn)定;邊墻拉應(yīng)力逐漸減小，局部拉應(yīng)力逐步變?yōu)閴簯?yīng)力，緩解了應(yīng)力集中效應(yīng)，量值最大下降幅度達(dá)32.89%;邊墻部位塑性區(qū)深度減小，范圍縮小，塑性區(qū)深度下降50%;支護(hù)前后邊墻的累計位移值的一致性說明了邊墻圍巖的自承能力較頂拱圍巖強，且實際施工對邊墻的支護(hù)是及時的.

　　關(guān)鍵詞：地下廠房;FLAC3D;變形監(jiān)測;支護(hù)效果;數(shù)值模擬

　　隨著我國能源結(jié)構(gòu)改革的不斷推進(jìn)，我國水電站迎來重大發(fā)展機遇期[1]，依據(jù)施工地質(zhì)、監(jiān)測成果分析，能夠為動態(tài)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)[2].胡旭陽等[3]對開挖全過程變形監(jiān)測資料分析，得出開挖過程對圍巖變形的影響范圍.李帥軍等[4]結(jié)合地質(zhì)資料、施工情況，分析主廠房圍巖變形規(guī)律與機制.肖詩榮[5]研究了三峽水利工程主廠房圍巖發(fā)育的特大型塊體，并為施工安全調(diào)整了工程布置.房倩等[6]系統(tǒng)分析了圍巖變形量、圍巖變形穩(wěn)定時間與圍巖級別、隧道開挖面積等因素之間的關(guān)系.李金河等[7]總結(jié)了溪洛渡工程開挖與支護(hù)設(shè)計過程中的監(jiān)測資料反演分析及動態(tài)設(shè)計過程，監(jiān)測數(shù)據(jù)實時分析與科學(xué)決策之間執(zhí)行也是分析評價的影響因素[8-9].隨著技術(shù)上得到飛躍式提升的數(shù)值模擬方法[10]，結(jié)合工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行工程問題分析的手段逐漸成熟.如王克忠等[11]基于數(shù)值模擬和原位監(jiān)測，研究了在掛網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)系統(tǒng)中改善強柔性支護(hù)技術(shù).

　　楊為民等[12]對圍巖開挖后的基本場變化特征進(jìn)行了比較分析，為應(yīng)用數(shù)值模擬評價圍巖支護(hù)效果打下了良好的基礎(chǔ).上述文獻(xiàn)分析表明，地下工程研究主要集中在圍巖穩(wěn)定性、圍巖支護(hù)措施、圍巖監(jiān)測方法等方面，對于圍巖支護(hù)效果分析評價的文獻(xiàn)并不多，且現(xiàn)有文獻(xiàn)多停留在利用監(jiān)測數(shù)據(jù)分析對工程支護(hù)效果進(jìn)行評價，由于監(jiān)測手段及監(jiān)測布置的不完善及局限性，支護(hù)效果評價結(jié)果存在較大誤差.本文綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行烏東德左岸主廠房圍巖支護(hù)效果分析評價，為地下工程建設(shè)提供較為典型的工程案例，具有一定的學(xué)術(shù)和工程意義.

　　1工程概況

　　1.1烏東德水電站左岸地下主廠房地質(zhì)概況

　　烏東德水電站左岸主廠房位于峽谷岸坡內(nèi)，上覆巖體厚度160～540m.外側(cè)端墻距水墊塘邊坡水平距離最小為75m，與大壩拱端在850m高程上的最小水平距離為90m.主廠房頂、底開挖高程分別為855m、765.5m，開挖尺寸：333.00m×32.50m×89.80m(長×寬×高).左岸主廠房洞室開挖后影像圖如圖1所左岸主廠房區(qū)域地層巖性由洞室向外依次為落雪組第二段第三亞段(Pt2l2-3)、第三段第一亞段(Pt2l3-1)、少許為第三段第二亞段(Pt2l3-2)地層，巖性為大理化白云巖及灰?guī)r;巖層走向一般為270～280°，傾向S，傾角75～85°;主廠房軸線走向60°，與巖層走向夾角以30～40°為主，靠江側(cè)局部夾角小于30°，山內(nèi)側(cè)局部夾角40～50°.

　　1.2開挖與支護(hù)方案

　　主廠房開挖方案(以典型界斷面左岸主廠房5號機斷面為例)如下：整個主廠房總體分9步開挖完成，第1步主要完成拱頂部分開挖，第2～7步主要是完成邊墻部分開挖，第8、9步為最后收尾開挖.支護(hù)措施以系統(tǒng)錨桿為主，針對局部失穩(wěn)部位加錨索支護(hù)，工程選定以下支護(hù)方案：整個主廠房洞周設(shè)計直徑��32長6m和9m交替布置的系統(tǒng)錨桿，錨桿間距2.5m×2.5m，結(jié)合掛網(wǎng)噴砼，混凝土選用C30，鋼筋網(wǎng)設(shè)計參數(shù)為��32@15cm×15cm.巖錨梁部位加強預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，設(shè)計噸位1700～2000kN，主廠房洞室塊體部位采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，錨桿設(shè)計預(yù)應(yīng)力50kN，長度視塊體厚度而定，一般在8～15m不等，主廠房上下游邊墻部位均設(shè)計預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，設(shè)計預(yù)應(yīng)力為1800kN左右，長度35m，間距3.5m×3.5m.

　　2支護(hù)前后圍巖變形特征

　　在洞室內(nèi)布置多點位移計監(jiān)測圍巖位移變形情況.根據(jù)多點位移計監(jiān)測資料，分析主廠房洞周的變形特征，主要對頂拱中心線位置、上下游邊墻位置進(jìn)行分析.5號機斷面多點位移計監(jiān)測數(shù)據(jù).監(jiān)測數(shù)據(jù)如下：為多點位移計M01Z05過程曲線.M01Z05布置在5號機拱頂高程855m處，設(shè)置3個測點位置，分別為孔口位置，距離孔口7m、14m位置.最初孔口位置出現(xiàn)些許的壓縮變形，變形量不大，只有0.15mm左右，隨后孔口位置開始出現(xiàn)較小的拉伸變形，且隨著開挖與支護(hù)不斷地交替推進(jìn)，孔口監(jiān)測結(jié)果說明，支護(hù)前頂拱最大累計位移量1.7mm，支護(hù)后位移減少47%，穩(wěn)定在0.9mm;上游邊墻支護(hù)前位移量持續(xù)增加，支護(hù)后最大累計位移量穩(wěn)位置變形呈緩慢增加，最大累計變形量為2017年3月的1.7mm，隨著頂拱支護(hù)的完成最終穩(wěn)定在0.9mm左右.而距離孔口位置7m、14m處圍巖變形一直為壓縮變形，直到2017年9月25日測值分別為-0.8mm、-1.9mm.

　　為多點位移計M24Z05過程曲線，M24Z05布置在主廠房上游邊墻位置高程812m位置處，共布置有3個監(jiān)測點位置，分別是孔口位置，距離孔口3.0m、7.0m處.到2015年1月中旬M24Z05監(jiān)測點附近圍巖變形突然增大，其中孔口位置測點反應(yīng)較靈敏，位移監(jiān)測值從0.08mm直接突變到4.86mm，后孔口位置測點變形迅速增大，直到開挖支護(hù)完成后于2017年10月測得的累計變形量值穩(wěn)定在25mm左右.分析距離孔口3.0m以及7.0m位置處的測點變形可知，與孔口位置變形規(guī)律具有一致性，且距離孔口位置越遠(yuǎn)變形越小.距離孔口位置3.0m處的變形值為12mm，測得距離孔口位置7.0m處的變形值為8.0mm.為多點位移計M14Z05過程曲線，M14Z05布置在主廠房下游邊墻位置高程812m位置處，共布置有3個監(jiān)測點位置，分別是孔口位置，距離孔口3.0m、7.0m處.

　　到2015年1月中旬M14Z05監(jiān)測點附近圍巖變形突然增大，其中孔口位置測點反應(yīng)較靈敏，位移監(jiān)測值從0.9mm直接突變到8.8mm，后孔口位置測點變形迅速增大，直到開挖支護(hù)完成后于2017年10月測得的累計變形量值穩(wěn)定在45mm左右.距離孔口3.0m以及7.0m位置處的測點變形與孔口位置變形規(guī)律具有一致性，且距離孔口位置越遠(yuǎn)變形越小，最后都趨近穩(wěn)定.于2017年10月測得距離孔口位置3.0m處的變形值為25mm，測得距離孔口位置7.0m處的變形值為14mm定在25mm;下游邊墻支護(hù)前位移量亦持續(xù)增加且大于上游邊墻，支護(hù)后最大累計位移量穩(wěn)定在45mm.開挖導(dǎo)致的邊墻位移大于頂拱位移，襯砌支護(hù)有效遏止了圍巖變形.由于監(jiān)測手段的不完善，未能有效監(jiān)測支護(hù)前后圍巖應(yīng)力場及塑性區(qū)的變化情況，未能更充分地說明圍巖支護(hù)效果.

　　3基于圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬的圍巖支護(hù)效果分析

　　3.1計算方法

　　本研究應(yīng)用ANSYS軟件建立烏東德左岸主廠房三維地質(zhì)簡化模型，并用FLAC3D軟件對主廠房5號機橫斷面開挖地質(zhì)概化模型進(jìn)行數(shù)值分析[13]，模擬主廠房開挖及支護(hù)后的位移場、應(yīng)力場、塑性區(qū)等基本場并加以對比，對圍巖支護(hù)效果進(jìn)行評價.考慮圍巖巖性堅硬，為簡化及方便計算，本次模擬不考慮洞群效應(yīng).

　　3.2計算參數(shù)

　　計算模型選取莫爾-庫倫本構(gòu)關(guān)系作為理論基礎(chǔ)，不同巖層采用的物理力學(xué)參數(shù).

　　3.3計算工況

　　依據(jù)左岸主廠房開挖支護(hù)方案，為對比分析開挖過程與支護(hù)后圍巖變形特征，為方便計算分析，數(shù)值計算選取以下5個概化的計算工況：工況1：第1步開挖(第1階段拱頂部分開挖);工況2：第2步開挖(第2階段邊墻部分開挖);工況3：第7步開挖(第2階段邊墻部分開挖);工況4：第9步開挖(第3階段機窩部分開挖);工況5：一次性全斷面支護(hù).與實際工況有差別的是，工況1實際上是頂拱支護(hù)后再進(jìn)行邊墻開挖的，工況2～工況4也是邊墻邊開挖邊支護(hù)的，工況5雖實際上不存在，但可以充分比較支護(hù)效果.

　　4支護(hù)效果綜合評價

　　4.1數(shù)值模型分析結(jié)果可靠性評價與討論

　　監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬支護(hù)后的累計位移量值在邊墻保持較高一致性，頂拱支護(hù)后模擬計算值2.7mm大于實際監(jiān)測值0.9mm，其偏差雖較大但與監(jiān)測值在一個量級內(nèi)，而頂拱支護(hù)前的模擬位移值高達(dá)75mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于支護(hù)后的模擬值和實際監(jiān)測值.頂拱模擬計算值與實際監(jiān)測值偏差較大的原因在于模擬支護(hù)方式為一次性支護(hù)，而實際施工是頂拱支護(hù)后才開挖邊墻.支護(hù)前后邊墻的累計位移值的一致性既說明數(shù)值模型的合理和模擬的成功，又說明了邊墻圍巖的自承能力較頂拱圍巖強，且實際施工對邊墻的支護(hù)是及時的.總體來看，本次數(shù)值模擬模型較合理，模擬結(jié)果較可靠.

　　4.2開挖與支護(hù)兩種工況下計算結(jié)果對比分析

　　綜合對比開挖過程與支護(hù)后兩種工況下數(shù)值模擬結(jié)果，見表3.支護(hù)后最大位移區(qū)域明顯減小，頂拱累計位移量值最大下降幅度達(dá)96.4%，邊墻累計位移值下降幅度達(dá)18%～25%，且變形趨于穩(wěn)定.圍巖開挖支護(hù)后，邊墻拉應(yīng)力逐漸減小，局部拉應(yīng)力逐步變回壓應(yīng)力，緩解了應(yīng)力集中效應(yīng)，量值最大下降幅度達(dá)32.89%.邊墻部位塑性區(qū)深度減小，范圍縮小，塑性區(qū)深度下降約50%.支護(hù)后的塑性區(qū)最大深度為2.4m，而支護(hù)前松動區(qū)深度為4.8m.兩種工況數(shù)值模擬結(jié)果說明了圍巖支護(hù)效果顯著，尤其是對頂拱圍巖的位移變形遏制十分有效.

　　5結(jié)論

　　1)開挖與支護(hù)兩種工況下的數(shù)值模擬結(jié)果說明了圍巖支護(hù)效果顯著，尤其是對頂拱圍巖的位移變形遏制十分有效.頂拱累計位移量值最大下降幅度達(dá)96.4%，邊墻累計位移值下降幅度達(dá)18%～25%，且變形趨于穩(wěn)定.邊墻拉應(yīng)力逐漸減小，局部拉應(yīng)力逐步變回壓應(yīng)力，緩解了應(yīng)力集中效應(yīng)，量值最大下降幅度達(dá)32.89%.邊墻部位塑性區(qū)深度減小，范圍縮小，塑性區(qū)深度下降50%.

　　2)支護(hù)前后邊墻的累計位移值的一致性說明了邊墻圍巖的自承能力較頂拱圍巖強，且實際施工對邊墻的支護(hù)是及時的.

　　3)本次數(shù)值模擬圍巖位移值較好地擬合了實際監(jiān)測值，說明了模擬模型的合理性和工況選擇的基本適宜性.

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