白莲河地下厂房洞室群围岩稳定反馈分析(文章).doc

白莲河地下厂房洞室群围岩稳定反馈分析摘要：根据白莲河抽水蓄能电站地下厂房的工程地质条件与开挖设计，采用三维有差分法，根据实测地应力进行反演分析，在此基础上分别对地下厂房整体施工开挖程序和球阀室第II层开挖方案进行分析，建议了合理的施工方案，并评价了地下洞室围岩稳定性，为合理选择支护参数和开挖程序提供了依据。 1 概 述 白莲河抽水蓄能电站位于湖北省罗田县白莲河乡境内。工程枢纽主要建筑物有上库的主、副坝，上、下库的进/出水口，输水隧洞，调压室和地下厂房等。地下厂房洞室群由输水隧洞、球阀洞、主厂房、主变洞、母线洞（厂用配电洞）、尾水闸门洞、进厂交通洞、及施工支洞等洞室组成,是一组以主厂房为中心的地下洞室群。该工程引水系统采用二洞四机的联合供水方式, 尾水系统采用四机二洞。由于地下厂房洞室群位于地质条件比较复杂的区域，断裂构造比较发育；地下厂房洞室群复杂，且洞室尺寸较大。为全面准确地了解和评价地下洞室群的围岩稳定性，通过分析研究地下洞室群施工开挖程序对地下洞室群的围岩的影响，选择合适地下厂房洞室围岩支护参数和相对合理的开挖顺序、支护方式和支护参数，特进行地下厂房洞室群围岩的三维计算分析。2 工程地质条件从发电工况水流方向看，依次平行布置球阀洞、主厂房、主变洞和尾水闸门洞四大洞室。四大洞室之间的岩体厚度分别为30.00m、32.00m和15.60m。主厂房最大开挖尺寸为146.40m23.25m54.38m（长宽高）； 主变室开挖尺寸为134.40m19.70m19.925m；球阀室开挖尺寸为106.40m10.70m27.88m；尾水闸门室开挖尺寸94.00m10.80m20.905m。母线洞位于主厂房洞与主变洞之间，长32.00m，城门洞形，开挖断面尺寸BH=8.00m9.80m。主厂房洞室纵轴线方向为东西向。地下厂房洞室群布置在白莲河水库右坝头上游侧山体内。地下洞室布置区山体雄厚，地形整齐，地表部分基岩裸露；厂区基岩以灰白色中细粒二长花岗岩为主，夹有少量肉红色花岗岩。主厂房及主变洞位于新鲜岩体内。厂区节理主要有NW组与NE组节理，节理（尤其是NE组）多充填有13mm的白色泥。大部分断层延伸不长，规模较小。影响厂房地质条件的主要断层有F8（包括F8-1、F8-2及其影响带）。主变洞主要有F8和与该断层平行的节理裂隙密集带。3计算条件3.1 地质概化模型与网格划分考虑到现场的工程地质条件以及计算分析的主要目的，计算域主要包括风化岩体、微新岩体以及F8断层等三种材料，F8断层带的影响带采用IVV类岩体进行模拟。三维计算分析模型计算范围600m650m450 m。计算模型共划分四面体和六面体单元：167411个，节点总数：66326个；计算网格见图1、图2；计算时所施加的边界约束条件：地表为自由边界；底面被固定，其余各面均受到法向位移约束。图1地下厂房洞室群围岩稳定计算网格图图2 地下厂房洞室群结构网格图3.2 力学模型与计算参数本次计算采用弹塑性模型；屈服准则为Mohr-Coulomb准则。计算参数见表1。表1 地下厂房区物理力学参数表类 型 重度/kN/m3抗剪（断）强度变形模量/GPa泊桑比fC/Mpa微风化及新鲜花岗岩26.21.82.0250.20类围岩26.21.21.418200.22类围岩26.21.01.06.08.00.25类围岩26.20.70.52.04.00.250.30类围岩26.20.50.050.30夹泥节理-0.30.350.010.02-硬性节理面-0.50.60.02-断 层-0.30.40.010.03-地下厂房区各洞室于2004年10月开挖至2006年1月，已经完成开挖的有引水支洞、尾水支洞、主变室、尾闸室的全部岩体以及主厂房IIII层、球阀室第I层及第III层中导洞，母线洞还留有岩塞未开挖。所以从地下洞室群的稳定性角度，应重点研究球阀室第、2、层，主厂房第、层以及母线洞（厂用配电洞）岩塞的开挖顺序。通过分析提出最合适的开挖方案，开挖方案见表2。表2 地下厂房开挖程序表方案洞室名称开挖顺序步5678910方案一主厂房球阀室2母线洞岩塞方案二主厂房球阀室2母线洞岩塞方案三主厂房球阀室2母线洞岩塞方案四主厂房球阀室2母线洞岩塞3.3 围岩地质概化根据地下厂房区的地质描述和围岩分类，将各主要洞室及地质构造的围岩进行如下概化：球阀室周围为III类岩体，主厂房周围为II类岩体，主变室周围为界于II类III类之间的围岩，闸门周围为III类岩体，F8断层影响带为IV类V类之间的岩体。4 计算成果4.1 地应力场反演地应力场根据地应力测试成果进行反演，表3为岩体应力场测试成果表，图4与图5分别为岩体自重应力及反演构造应力。表3 岩体应力场测试成果表最大主应力中间主应力最小主应力1（MPa）倾角()方位角()2（MPa）倾角()方位角()3（MPa）倾角()方位角()-10.6917.61176.82-5.9071.94343.63-3.423.8785.59 图3岩体自重应力场与测试应力场对比图图4 岩体反演应力场与测试应力场对比图图5 反演应力场测试点所在剖面（厂纵0-015.00剖面）最大主应力图4.2 开挖方案比选为选取合适的开挖方案，了解和评价地下洞室群的围岩稳定性，我们考虑开挖顺序、应力场以及支护等因素的组合，进行了11种工况的计算分析（表4）。同时主要根据计算获得的塑性破坏区体积及最大变形等条件判定最优开挖方案。从塑性区体积对比分析(图6图9)：开挖方案4为最优开挖顺序方案。表4 计算工况表工况号计 算 方 案荷载及计算参数组合自重应力反演应力开挖方式锚杆支护锚索支护衬砌支护11.1自重应力场+无支护+开挖方案11.2自重应力场+无支护+开挖方案21.3自重应力场+无支护+开挖方案31.4自重应力场+无支护+开挖方案42自重应力场+支护(锚杆, 锚索)+开挖方案433.1反演应力场+无支护+开挖方案13.2反演应力场+无支护+开挖方案23.3反演应力场+无支护+开挖方案33.4反演应力场+无支护+开挖方案44反演应力场+支护(锚杆, 锚索) +开挖方案25反演应力场+支护(锚杆, 锚索)+开挖方案4说明：表中的计算方案均考虑了夹层F8的影响。图6 自重应力场条件下各开挖方案开挖完成后塑性区体积对比图图7 反演应力场条件下各开挖方案开挖完成后塑性区体积对比图图8 工况3.2与工况3.4各开挖步塑性区体积对比图图9 工况4与工况5各开挖步塑性区体积对比图4.3球阀室第II层开挖方案分析由于球阀室第三层导洞及第一层已开挖，主厂房也已挖至第五层，而球阀室与主厂房之间岩体厚度较薄仅32m，球阀室第二层实际上起着横撑的作用，若快速拿掉该支撑，则二、三层高达16m的高边墙稳定问题非常突出，极易造成高边墙失稳，因此球阀室第二层的开挖支护对地下洞室的稳定性影响较大。表5针对球阀室第二层的开挖设计了3种方案，表6表8为各方案开挖洞周最大位移，图9为球阀室开挖完成后不同开挖方案塑性区体积对比。从图9及表6、表7、表8中可以看出，球阀室第二层采用跳挖比连续开挖好，分层抽槽比一次贯通抽槽效果好。表5 球阀室第二层开挖方案表（分2层分段开挖）方 案开挖顺序123456方案A(连续开挖)厂3670厂7085厂8595厂95105厂105115厂115142方案B（跳挖开挖）厂3670厂8595厂105115厂115142厂7085厂95105方案C（跳挖开挖）厂3685上层厂3685下层厂85142上层厂85142下层说明：方案A与方案B抽槽一次贯通，扩挖保护层分二层；方案C则分2次抽槽，分2层分别扩挖保护层；表6 方案A开挖洞周最大位移表 单位：mm分期球阀室开挖( 分段一次抽槽开挖)厂房五层全部开挖厂3670厂7085 厂8595厂95105厂105115 厂115142主厂房顶拱24.524.524.524.524.624.725.1上游62.962.462.262.061.560.666.7下游52.152.552.752.953.253.759.8球阀室顶拱31.531.832.132.333.033.434.9上游34.549.151.051.554.054.955.4下游22.731.838.939.139.339.539.4表7 方案B开挖洞周最大位移表 单位：mm分期球阀室开挖( 分段一次抽槽, 跳挖开挖)厂房五层全部开挖厂3670厂7085 厂8595厂95105厂105115 厂115142主厂房顶拱24.524.624.524.624.524.625.1上游62.960.762.760.662.061.266.7下游52.153.452.453.652.753.159.8球阀室顶拱31.532.531.733.131.731.934.6上游34.553.046.353.247.147.353.7下游22.739.545.639.645.946.139.7表8 方案C开挖洞周最大位移表 单位：mm分期厂房第五层挖一半球阀室开挖（分2次抽槽，2层扩挖）厂房五层全部开挖厂3685上层厂3685下层厂85142上层厂85142下层主厂房顶拱24.524.524.524.724.725.1上游63.062.762.661.160.866.8下游51.452.252.353.353.559.8球阀室顶拱31.431.731.733.033.434.8上游32.652.147.351.352.052.4下游22.652.335.037.738.738.6图9 球阀室开挖完成后不同开挖方案塑性区体积对比图4.4 开挖后位移分析以下以工况5为例，对地下厂房的开挖、支护过程中的应力、变形和塑性区进行说明。分层开挖围岩变形特征：洞室开挖后，主厂房及主变洞洞周的位移均向洞内变化；球阀室上游边墙与尾闸室下游边墙位移向内变形倾向主厂房一侧（图10图11），球阀室下游边墙位移及尾闸室上游边墙较小，主变洞、尾闸室和球阀室受主厂房洞室开挖的影响较大。主厂房边墙的位移随着开挖的深入，位移不断加大，开挖完成主厂房上、下游边墙的最大矢量位移分别为8.12cm和8.3cm；球阀室上游边墙位移达到5.44cm，下游边墙受主厂房洞室开挖影响，位移只有3.78cm，主变洞、尾闸室上下游边墙的位移分别为7.01cm、3.79cm、1.92cm、4.21cm（表5）。图12显示了主厂房第四层开挖后计算位移与监测位移对比。 图10 主厂房第五层开挖y=50剖面(厂0+050.0剖面)位移矢量图图11 开挖完成后y=50剖面(厂0+050.0剖面)位移矢量图表5 反演应力场条件下(工况5)分期开挖洞周最大位移变化值 单位：mm开挖分步1234毛洞锚固毛洞锚固毛洞锚固毛洞锚固主厂房顶拱18.618.620.620.522.922.824.023.9上游17.217.237.136.951.550.851.951.2下游18.218.233.331.137.437.036.035.7球阀室顶拱2.02.029.129.229.830.030.030.1上游17.417.427.627.629.129.129.429.4下游19.519.522.923.122.222.322.222.3主变洞顶拱34.034.036.536.438.938.739.639.3上游27.427.436.936.952.248.863.259.2下游13.613.623.423.433.432.437.736.8尾闸室顶拱18.718.721.121.023.923.624.323.9上游5.25.218.918.719.919.419.018.6下游8.98.920.920.937.636.438.537.4续表5 单位：mm开挖分步56789毛洞锚固毛洞锚固毛洞锚固毛洞锚固毛洞锚固主厂房顶拱24.724.525.225.026.125.826.226.026.526.3上游64.162.571.970.178.776.882.479.883.581.2下游48.247.059.757.872.269.978.876.185.283.0主变洞顶拱31.331.433.133.137.737.638.938.739.939.7上游31.131.033.032.964.562.365.263.072.670.1下游22.222.323.223.334.434.234.934.938.237.9球阀室顶拱40.340.041.240.942.041.742.542.143.042.6上游61.658.160.256.858.855.458.254.957.854.4下游36.936.136.135.336.735.837.536.738.837.9尾闸室顶拱24.524.124.824.425.324.825.525.125.825.4上游19.719.320.319.920.119.619.819.419.519.2下游39.738.741.040.142.341.442.641.743.042.1图12 主厂房第四层开挖后计算位移与监测位移对比图4.5开挖后塑性区分析厂房开挖后洞周围岩塑性区分布特征：第一、二层开挖后，主变洞、尾闸室洞周有46m的塑性区，主厂房和球阀室边墙有34m范围的塑性破坏区；在随后的开挖过程中，主厂房和其他洞室顶拱的塑性破坏区基本保持不变，边墙的