烏東德水電站左岸地下主廠房圍巖支護效果分析

所屬分類：農業論文閱讀次時間：2020-04-03 16:47

本文摘要：摘要：地下洞室圍巖支護效果檢驗分析對于地下工程運行具有重要意義.本文在圍巖監測分析基礎上，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效果進行數值模擬，通過對比分析位移

　　摘要：地下洞室圍巖支護效果檢驗分析對于地下工程運行具有重要意義.本文在圍巖監測分析基礎上，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效果進行數值模擬，通過對比分析位移場、應力場及塑性區等基本場與圍巖變形監測數據的變化特征，定量評價圍巖支護效果.分析結果表明，圍巖支護效果顯著，尤其是對頂拱圍巖的位移變形遏制十分有效：支護后，頂拱累計位移量值最大下降幅度達96.4%，邊墻累計位移值下降幅度達18%～25%，且變形趨于穩定;邊墻拉應力逐漸減小，局部拉應力逐步變為壓應力，緩解了應力集中效應，量值最大下降幅度達32.89%;邊墻部位塑性區深度減小，范圍縮小，塑性區深度下降50%;支護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是及時的.

　　關鍵詞：地下廠房;FLAC3D;變形監測;支護效果;數值模擬

水電與抽水蓄能

　　隨著我國能源結構改革的不斷推進，我國水電站迎來重大發展機遇期[1]，依據施工地質、監測成果分析，能夠為動態優化設計提供依據[2].胡旭陽等[3]對開挖全過程變形監測資料分析，得出開挖過程對圍巖變形的影響范圍.李帥軍等[4]結合地質資料、施工情況，分析主廠房圍巖變形規律與機制.肖詩榮[5]研究了三峽水利工程主廠房圍巖發育的特大型塊體，并為施工安全調整了工程布置.房倩等[6]系統分析了圍巖變形量、圍巖變形穩定時間與圍巖級別、隧道開挖面積等因素之間的關系.李金河等[7]總結了溪洛渡工程開挖與支護設計過程中的監測資料反演分析及動態設計過程，監測數據實時分析與科學決策之間執行也是分析評價的影響因素[8-9].隨著技術上得到飛躍式提升的數值模擬方法[10]，結合工程監測數據進行工程問題分析的手段逐漸成熟.如王克忠等[11]基于數值模擬和原位監測，研究了在掛網噴射混凝土支護系統中改善強柔性支護技術.

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

　　1工程概況

　　1.1烏東德水電站左岸地下主廠房地質概況

　　烏東德水電站左岸主廠房位于峽谷岸坡內，上覆巖體厚度160～540m.外側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巖;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，靠江側局部夾角小于30°，山內側局部夾角40～50°.

　　1.2開挖與支護方案

　　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.支護措施以系統錨桿為主，針對局部失穩部位加錨索支護，工程選定以下支護方案：整個主廠房洞周設計直徑32長6m和9m交替布置的系統錨桿，錨桿間距2.5m×2.5m，結合掛網噴砼，混凝土選用C30，鋼筋網設計參數為32@15cm×15cm.巖錨梁部位加強預應力錨索支護，設計噸位1700～2000kN，主廠房洞室塊體部位采用預應力錨桿支護，錨桿設計預應力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計預應力錨索支護，設計預應力為1800kN左右，長度35m，間距3.5m×3.5m.

　　2支護前后圍巖變形特征

　　在洞室內布置多點位移計監測圍巖位移變形情況.根據多點位移計監測資料，分析主廠房洞周的變形特征，主要對頂拱中心線位置、上下游邊墻位置進行分析.5號機斷面多點位移計監測數據.監測數據如下：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較小的拉伸變形，且隨著開挖與支護不斷地交替推進，孔口監測結果說明，支護前頂拱最大累計位移量1.7mm，支護后位移減少47%，穩定在0.9mm;上游邊墻支護前位移量持續增加，支護后最大累計位移量穩位置變形呈緩慢增加，最大累計變形量為2017年3月的1.7mm，隨著頂拱支護的完成最終穩定在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監測點附近圍巖變形突然增大，其中孔口位置測點反應較靈敏，位移監測值從0.08mm直接突變到4.86mm，后孔口位置測點變形迅速增大，直到開挖支護完成后于2017年10月測得的累計變形量值穩定在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，與孔口位置變形規律具有一致性，且距離孔口位置越遠變形越小.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監測點附近圍巖變形突然增大，其中孔口位置測點反應較靈敏，位移監測值從0.9mm直接突變到8.8mm，后孔口位置測點變形迅速增大，直到開挖支護完成后于2017年10月測得的累計變形量值穩定在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律具有一致性，且距離孔口位置越遠變形越小，最后都趨近穩定.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;下游邊墻支護前位移量亦持續增加且大于上游邊墻，支護后最大累計位移量穩定在45mm.開挖導致的邊墻位移大于頂拱位移，襯砌支護有效遏止了圍巖變形.由于監測手段的不完善，未能有效監測支護前后圍巖應力場及塑性區的變化情況，未能更充分地說明圍巖支護效果.

　　3基于圍巖穩定性數值模擬的圍巖支護效果分析

　　3.1計算方法

　　本研究應用ANSYS軟件建立烏東德左岸主廠房三維地質簡化模型，并用FLAC3D軟件對主廠房5號機橫斷面開挖地質概化模型進行數值分析[13]，模擬主廠房開挖及支護后的位移場、應力場、塑性區等基本場并加以對比，對圍巖支護效果進行評價.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.

　　3.2計算參數

　　計算模型選取莫爾-庫倫本構關系作為理論基礎，不同巖層采用的物理力學參數.

　　3.3計算工況

　　依據左岸主廠房開挖支護方案，為對比分析開挖過程與支護后圍巖變形特征，為方便計算分析，數值計算選取以下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.與實際工況有差別的是，工況1實際上是頂拱支護后再進行邊墻開挖的，工況2～工況4也是邊墻邊開挖邊支護的，工況5雖實際上不存在，但可以充分比較支護效果.

　　4支護效果綜合評價

　　4.1數值模型分析結果可靠性評價與討論

　　監測數據與模擬支護后的累計位移量值在邊墻保持較高一致性，頂拱支護后模擬計算值2.7mm大于實際監測值0.9mm，其偏差雖較大但與監測值在一個量級內，而頂拱支護前的模擬位移值高達75mm，遠遠高于支護后的模擬值和實際監測值.頂拱模擬計算值與實際監測值偏差較大的原因在于模擬支護方式為一次性支護，而實際施工是頂拱支護后才開挖邊墻.支護前后邊墻的累計位移值的一致性既說明數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是及時的.總體來看，本次數值模擬模型較合理，模擬結果較可靠.

　　4.2開挖與支護兩種工況下計算結果對比分析

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

　　5結論

　　1)開挖與支護兩種工況下的數值模擬結果說明了圍巖支護效果顯著，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96.4%，邊墻累計位移值下降幅度達18%～25%，且變形趨于穩定.邊墻拉應力逐漸減小，局部拉應力逐步變回壓應力，緩解了應力集中效應，量值最大下降幅度達32.89%.邊墻部位塑性區深度減小，范圍縮小，塑性區深度下降50%.

　　2)支護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是及時的.

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

　　相關水利論文投稿刊物：水電與抽水蓄能雜志(雙月刊)于1977年創刊，本刊以馬列主義、毛澤東思想、鄧小平理論和“三個代表”重要思想為指導，全面貫徹黨的教育方針和“雙百方針”，理論聯系實際，開展教育科學研究和學科基礎理論研究，交流科技成果，促進學院教學、科研工作的發展，為教育改革和社會主義現代化建設做出貢獻。