大岗山地下厂房洞群施工开挖围岩稳定性分析

，，

(中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司科学研究所，成都 610072)

1 研究背景

当前，我国的水利水电工程建设正处于一个空前发展阶段，随着西部大开发的深入开展，许多特大型和大型水电站工程相继进入施工期，如澜沧江上的小湾水电站和糯扎渡水电站，雅砻江上的锦屏一、二级水电站，金沙江上的溪洛渡水电站和向家坝水电站，大渡河上的瀑布沟水电站和大岗山水电站等。随着这些大型水电站工程的开工建设，水电站地下厂房洞室群的开挖稳定已成为制约水电工程施工进度、投资和安全的重要因素。在大型地下厂房洞室的开挖过程中需要分析围岩的变形与受力状态，并据此判断围岩的稳定性，从而采取有效的加固处理措施[1-8]。大岗山水电站是大渡河干流近期开发的大型水电工程，为分析该水电站地下厂房洞室群施工开挖过程中围岩的稳定性状况，采用三维数值方法对该电站地下厂房洞室群开挖围岩稳定进行了计算分析，获得了洞室开挖过程中围岩位移场、应力场和塑性区的变化规律，计算成果有效指导了工程的设计与施工。

2 工程概况

大岗山水电站位于四川西部大渡河中游四川省石棉县境内，坝址距下游石棉县城约40 km，距成昆铁路汉源火车站约130 km，距上游泸定县城约72 km。坝址左岸有省道211线相通，交通较为便利。坝址处控制流域面积达6.27万km2，占全流域面积的80%，多年平均流量约1 010 m3/s，电站正常蓄水位1 130 m，大坝壅水高度约180 m，最大坝高约210 m，总库容约7.42亿m3，电站装机容量2 600 MW。图1为大岗山电站地形地貌图。

图1 大岗山水电站地形地貌图

地下厂房布置在左岸Ⅰ—Ⅲ线，由主厂房、主变室、尾水调压室3大地下洞室及母线洞、尾水连接洞等组成。3大洞室平行布置，轴线方向N55°E，垂直埋深390～520 m，水平埋深310～530 m。

3 厂区初始地应力场的反演

根据地质力学分析，厂区初始地应力场的主要组成成分为自重应力场和地质构造应力场，地应力场分析依据这一观点建立数学计算模型，并采用多元回归法进行反演拟合分析。

(1)

假定有m个观测点，则最小二乘法的残差平方和为

(2)

根据最小二乘法原理，使得S残为最小值的方程式为

(3)

解此方程式得n个待定回归系数L=(L1,L2,…,Ln)T，则计算域内任一点p的回归初始应力可由该点各工况有限元计算值迭加得到，即

(4)

式中j=1，2，…，6对应6个初始应力分量。

根据大岗山厂区实测地应力资料，采用上述多元回归分析法对地下厂房厂区初始地应力场进行了反演拟合，获得厂区的初始地应力分布函数为

(5)

式中h为测点的垂直埋深。

反演计算表明：厂区最大主应力σ1的方向近似平行于地下厂房的轴线方向，最小主应力σ3的方向近似垂直于地下厂房的轴线方向；浅部最大主应力主要以自重应力分布为主，深部最大主应力主要以构造应力分布为主。厂区初始地应力是由自重应力和构造应力联合组成的中等偏高的地应力场。

4 数值计算模型与计算参数

4.1 三维计算网格

三维数值计算模型考虑了主厂房、主变室、尾调室等主要洞室，并对洞群范围内的β80，β81，β163，β164等较大岩脉进行了模拟。计算时选择厂横方向(即水流方向)为x轴，铅垂向为y轴，厂纵方向为z轴。厂横(x轴)0+0.0 m、高程(y轴)0.0 m、厂纵(z轴)0+0.0 m为标原点。计算范围为-302.9 m≤x≤450 m；700 m≤y≤地表；-300 m≤z≤500 m。三维模型共剖分了37 970节点，201 189个单元，整体三维计算网格如图2所示。

图2 三维数值计算模型

4.2 计算参数与开挖支护方案

考虑厂区地层变形为弹塑性变形，采用理想弹塑性模型，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则。根据厂区工程地质勘察报告，围岩物理力学参数取值见表1。

表1 围岩物理力学参数

根据设计方案，地下厂房自上而下开挖时主厂房为10个开挖步，主变室为3个开挖步，尾调室为9个开挖步，图3为地下厂房洞群开挖示意图。

图3 地下厂房开挖示意图

5 开挖计算结果分析

5.1 位移场变化规律

由于应力释放，开挖后洞周位移朝向开挖临空面，其中拱顶下沉，底板上抬，较大的变形主要集中在主厂房、主变室和尾调室的拱顶部位和软弱岩脉出露部位。图4为典型2#机组剖面开挖位移矢量图。

图4 2#机组剖面位移矢量图

开挖后各机组段洞周计算位移变化规律见表2。

表2 开挖后各机组段洞周计算最大位移

由表2可见，开挖后洞周计算位移值不大，最大位移仅为2.2 cm，其余位移皆小于2 cm，表明开挖后洞室整体是稳定的。与洞周位移监测结果对比表明：洞周计算位移与监测位移基本相符，二者误差小于10%，在工程允许误差范围内，说明本文计算结果是合理可靠的。

5.2 应力场变化规律

图5为典型2#机组剖面开挖后的最大、最小主应力云图。

由图5分析可知：开挖后洞周应力得到释放，虽然主厂房和尾调室上、下游边墙部位出现一定程度的应力集中，但都小于岩体的抗压强度。

图5 开挖后2#机组剖面最大、最小主应力云图

5.3 塑性区变化规律

开挖后洞周塑性区主要为压剪屈服，各机组段的塑性区变化规律见表3。

总体来看，开挖后地下厂房洞周塑性区的分布厚度大部分小于锚杆的设计长度，并全都小于锚索的设计长度，表明大岗山地下厂房洞室围岩的整体稳定性是有可靠保证的。

表3 开挖后各机组段的塑性区分布

6 结 语

(1) 本文采用多元回归分析法对大岗山地下厂房初始地应力场进行了反演，获得了厂区初始地应力函数，并揭示出厂区初始地应力的分布规律。

(2) 应用反演的厂区初始地应力场函数，对洞室开挖围岩稳定进行了三维数值计算分析，获得了洞周位移场、应力场和塑性区的变化规律。

(3) 计算结果表明大岗山地下厂房洞室群开挖后围岩整体是稳定的，但洞周分布的软弱岩脉是影响围岩稳定的关键因素，因此，在地下厂房施工过程中，必须对软弱岩脉和开挖暴露的破碎带进行超前注浆加固处理。

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