澳大利亚Kiston水电站地下厂房围岩稳定分析

陆健健 方 丹 姚新刚

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310002)



澳大利亚Kiston水电站地下厂房围岩稳定分析

陆健健 方 丹 姚新刚

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310002)

基于澳大利亚Kiston水电站地下洞室的地质勘查及设计资料，利用FLAC3D数值分析软件，对地下厂房进行开挖支护模拟，分析了在无支护和系统支护工况下，开挖完成后围岩的位移场、应力场、塑性区等的分布特征和演化规律，为地下厂房的开挖支护设计提供依据。

地下厂房，围岩，数值模拟，开挖支护

1 工程概况

Kiston水电站是一座电站以调峰、填谷、调频、调相、事故备用为主要开发任务的抽水蓄能电站。Kiston抽水蓄能电站项目位于北昆士兰Kiston地区，地下厂房装机规模为2×225 MW，工程由上水库、下水库、输水系统、地下厂房、开关站等建筑物组成。地下厂房轴线方向为N53°E，厂房埋深约280 m～330 m。主副厂房洞开挖尺寸为111 m×25.5(24) m×56.5 m(长×宽×高)，底板高程272.30 m，顶拱高程324.90 m。地下厂房区域内地形平缓，灌木发育。工程区域范围内基岩主要为中元古代地层，岩性为Einasleigh变质岩(片麻岩)和oak河花岗闪长岩。

本文采用FLAC3D数值分析软件，其利用的三维快速拉格朗日法是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法[1,2]，它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点[3]。

FLAC3D设置了模拟开挖的“空”模型(null)，为了模拟喷锚支护结构，FLAC3D软件提供了Cable杆单元来模拟锚杆支护，Shell壳单元来模拟喷混凝土。

2 计算条件

Kiston抽水蓄能电站厂址区域地势平缓，厂区地应力是地质构造运动作用的结果，厂区岩体经历了不同程度的卸荷作用过程，此过程伴随着岩体发生不同程度的弹塑性变形，在该过程中岩体可能出现压剪和张拉破坏。应力控制型围岩失稳主要决定于初始地应力水平及岩石的强度。采用理想的弹塑性模型材料模拟岩体可以满足分析的要求。故本计算中可以采用弹塑性的计算方法，应用莫尔—库仑与张拉破坏准则结合的复合准则模拟这种外动力作用导致浅层岩体不可恢复的变形。

3 计算模型建立及参数选取

3.1 计算模型建立

计算模型采用ANSYS软件建立，三维数值模型的范围为：沿X轴和Y轴的计算范围分别为164 m和169 m，竖直方向Z轴从高程209.3 m到地表，高度为330.7 m。三个坐标的方位分别为：X轴——轴向方位N37°W；Y轴——轴向方位N53°E；Z轴——按右手法则，与X轴和Y轴垂直，铅直向上。由于地下厂房两台机组尺寸相同，计算模型仅取单机组段进行模拟，模型共含105 162个单元(厂房模型见图1，整体模型见图2)。

3.2 参数选取

依据工程地质相关研究成果和现场实际情况，结合类似工程经验，确定计算中的岩体力学参数如表1所示。

表1 岩(土)体物理力学参数表

岩体分级容重/kN·m-3泊松比变形模量E/GPa抗剪断强度f'C'/MPaⅡ27000.22151.21.3Ⅲ26500.25121.01.0

根据提供的地应力测试成果[4]显示：测孔KDDH08测试深度为292.58 m时岩体最大水平主应力为22.37 MPa，最小水平主应力为10.9 MPa，属于中高地应力区，该孔地应力测试成果可靠度高，可作为厂区地应力代表性测点。岩体最大水平主应力方向为N73.44°E，现场实测成果应力与厂区地应力场的分析是一致的，地下厂房区为以水平构造应力为主，最大水平主应力为最大主应力，并且最大水平主应力方向与主副厂房洞纵轴线方向呈20°，呈小角度相交，厂房轴线方位对围岩稳定较为有利。本计算采用KDDH08测试成果施加初始地应力。

4 数值计算结果分析

4.1 无支护条件下围岩稳定分析

1)围岩变形。

开挖过程中厂房围岩的位移场是在不断演化的，总的来看：主副厂房顶拱铅直向下变形，由于岩性较好，随着开挖高度的增加，顶拱有一定程度的回弹，第四层开挖后顶拱变形趋于稳定。高边墙向洞内收敛变形，随着开挖高度增加围岩变形逐渐增大，最大变形量值约20 mm，下游边墙略大于上游边墙。由于地下厂房以水平构造应力为主，表现为边墙变形远大于顶拱变形。图3，图4反映了洞室开挖完成后洞室顶拱及边墙的变形趋势。

2)围岩应力。

洞室开挖完成以后，围岩的应力场发生了明显的改变，图5，图6为开挖完成后洞周围岩应力分布图。受区域水平构造应力场的控制，主副厂房顶拱有较明显的应力包，顶拱挤压明显，最大压应力约为12 MPa～16 MPa，拱肩由于应力集中，最大压应力达到18 MPa。洞室四周应力松弛变化较均匀，上下游高边墙应力松弛明显，最小主应力约为1 MPa～2 MPa，局部出现拉应力，最大值为0.5 MPa，未超过边墙岩体的抗拉强度值。

3)围岩塑性区。

图7为洞群开挖完成后洞周围岩塑性区分布图，主厂房顶拱塑性区深度一般为2 m～6 m，高边墙围岩塑性区深度一般约4 m～6 m，塑性区范围总体不大。

4.2 支护条件下围岩稳定分析

主厂房系统支护方案见表2。根据系统支护方案建立了洞室群的支护计算模型，锚杆支护断面与单元模型分别见图8，图9。

表2 主厂房支护参数表

主厂房区域在系统支护条件下围岩分层开挖完成后的位移场、应力场、塑性区分布见表3。现对系统支护条件下厂房开挖响应分析如下。

表3 无支护条件下与系统支护条件下洞室围岩开挖响应统计表

4.2.1 围岩变形

与无支护计算结果相比，支护后围岩变形均有一定程度的减小，顶拱变形量减小10%左右；上下游边墙的围岩变形在支护后明显减小，最大的降幅达到15%。图10，图11反映了系统支护条件下洞室开挖完成后洞室顶拱及边墙的变形形态。

与无支护计算工况相比较，各关键部位围岩变形基本上都是随开挖进度的变化逐渐增加，但变形增量较无支护条件下均有一定的减小，表明支护结构对围岩变形稳定有较好的控制作用。

4.2.2 围岩应力

图12，图13为系统支护条件下洞室开挖完成后洞周围岩应力分布图。在支护条件下，主厂房的应力分布与无支护条件下基本一致，未发生明显的变化。

4.2.3 围岩塑性区

图14为洞室群开挖完成后洞周围岩塑性区分布图，与无支护条件相比较，在支护条件下，洞壁围岩塑性区深度减小明显，可见喷混凝土及系统锚杆支护对围岩塑性区扩展有较好的控制作用。

4.2.4 支护力

计算结果表明，主厂房顶拱锚杆拉应力在80 MPa～150 MPa之间，上下游边墙锚杆应力在70 MPa～174 MPa之间，顶拱锚杆最大在厂房顶拱中部，边墙锚杆应力最大在厂房边墙中部，与围岩最大变形位置一致。

5 结语

1)地下厂房区为水平构造应力为主的中高地应力场区，主厂房洞纵轴线方向与最大水平主应力方向呈20°夹角，呈小角度相交，对洞室边墙围岩稳定有利，地下厂房轴线方位布置合理；

2)地下洞室围岩变形符合一般规律，随洞室分层开挖进行，顶拱位移表现为先向下变形，再回弹，后趋于稳定；高边墙围岩变形随开挖步逐渐增大，最大变形量值约20 mm；边墙应力松弛区及围岩塑性区分布深度均在可控范围内，总体而言，无支护条件下地下厂房洞室群围岩整体稳定，具备开挖地下洞室的良好成洞条件；

3)系统锚喷支护后对洞室群的整体变形规律没有太大影响，但围岩变形、边墙应力松弛区及塑性区深度明显减小，总体上，系统支护后洞室围岩变形较小，围岩塑性区深度较小，支护结构受力情况较好，表明支护参数拟定较合理，围岩稳定性较好；

4)利用单一机组进行模型计算可以有效节约建模及计算时间，同时能得出围岩变形、应力、塑性区随开挖分部的大致规律，在可行性研究阶段是比较好的计算方式；

5)本次计算只建立了单一机组段模型，对洞室开挖成洞及支护参数等进行了初步评价，随着设计阶段的深入，后期可根据地质条件、厂房布置情况进行整体模型的复核计算。

[1] 陈帅宇，周维恒，杨 强，等.三维快速拉格朗日法进行水布垭地下厂房的稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2003,22(7)：1047-1053.

[2] 梁海波，李仲奎，谷兆棋.FLAC程序及其在我国水电工程中的应用[J].岩石力学与工程学报，1996(3)：225-230.

[3] 王灿刚，张 云.FLAC3D在浅埋隧道稳定性分析中的应用[J].岩土工程界，2008,11(2)：50-51.

[4] 蔡美峰，乔 兰，李华斌.地应力测试原理和技术[M].北京：科学出版社，1995.

1009-6825(2016)24-0080-04

2016-06-17

陆健健(1987- )，男，硕士，工程师

TU413.62

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