洪屏地下厂房围岩稳定性分析.pdf

-1- 洪屏地下厂房围岩稳定性分析洪屏地下厂房围岩稳定性分析 夏菲菲 河海大学水利水电工程学院，南京江苏（210098） E-mailxiafeifei2004 摘摘 要要 本文通过 ANSYS 软件建立地下厂房网格模型， 运用自行研制的 ANSYS-FLAC3D 转换程序将网格模型导入 FLAC3D 软件进行施工开挖过程模拟。 针对江西洪屏抽水蓄能电 站地下厂房区的特点， 运用 FLAC3D 对地下厂房区围岩进行三维空间稳定性分析及塑性区 分布分析，根据计算结果对地下厂房区围岩进行加固处理。 关键词关键词ANSYS；FLAC3D；地下厂房；围岩稳定 1 概述概述 洪屏抽水蓄能电站位于江西省靖安县境内， 紧靠江西省用电中心， 电站距南昌 65km 、 九江 100km，距华中地区用电中心武汉 190 km，已有和在建的 500kV 输电线路经过洪屏 抽水蓄能电站附近。其地下厂房洞室群规模大，数量多，主副厂房洞、主变洞为大跨度洞 室，与母线洞、尾闸洞、尾水调压井、出线洞、交通洞、通风兼安全洞、排水廊道等纵横 交错，布置复杂，故有必要进行地下厂房围岩稳定性分析，通过分析确定合理的支护方案， 为地下厂房洞室群设计提供依据。考虑到 FLAC3D 软件建模时的复杂性[1]，本文通过在 ANSYS 中建立模型并剖分好网格后利用 Fortran 编制的 ANSYS-FLAC3D 程序将网格模型 导入到 FLAC3D 中进行地下厂房围岩稳定性分析。 2 地下厂房布置及工程地质条件地下厂房布置及工程地质条件 初拟主厂房、主变洞、尾水闸门洞平行布置，主厂房轴线方位为 N47.5W，三大洞室 轴线距离分别为 58.25m 和 43.40m，安装场与副厂房分别布置在主厂房的两端。 主副厂房洞室长 158.50m， 其中主机段长 94.50 m， 副厂房长 20.00m， 安装场长 44.00m； 厂房顶拱高程 130.80m，厂房总高度 49.20m；吊车梁以下开挖宽度为 22.00m，吊车梁以上 宽度为 23.60m。 主变洞长 135.00m，开挖宽度为 18.50m，高 20.30m，顶拱开挖高程 127.30m。 尾闸洞长 92.00m，开挖宽度为 8.30m，高 15.40m，顶拱开挖高程 112.30m。 母线洞总长 38m，小头部分长 7.50m，大头部分长 27.50m, 中间渐变段长 3.00m，小 头开挖断面 7.00m7.90m，大头开挖断面 9.30m10.25m，底板开挖高程 101.20m。 地下厂房位于下库左岸山体内， 轴线位于长探洞 PDX4 洞深 1061m 处， 方向 N47.5W。 洞内主要揭露 F11、F521、f170、f171、f173五条断层，其中 F11宽约 4.54.7m，沿断层渗 滴水，F521宽 0.350.45m，沿断层涌水，流量 50L/min，其余断层仅轻微的渗滴水，上述断 层与厂房轴线交角较大，断层之间无不利组合。节理以 N6080E 向为主， N1020W 向 次之，倾角陡。 围岩弹性波纵波速加权平均值为 4738m/s，岩体较完整，围岩为ⅡⅢ类，以 II 类围岩 为主，占 70。 3 计算模型计算模型 为计算方便，将实际模型进行了简化，计算模型主要包括以下洞室主副厂房洞、主 -2- 变洞、母线洞、尾闸洞、引水洞、尾水洞等，计算范围为了满足分析精度要求，所采用的 计算模型不小于主副厂房洞、主变洞和尾闸洞等三大洞室群周边 200m 范围[ 5]。 计算模型中沿 x， y 轴的计算范围为 567.7m515.2m,并取高程为-170m 的地方为底部边 界。计算模型坐标原点取在机组的中心线上,x 轴为主厂房的轴线方向，y 轴为垂直于主厂 房轴线的方向，上游为正，z 轴与所给的高程相同，向上为正，整个空间坐标系遵循右手 法则。 地下厂房的网格模型见图 1，开挖部分网格见图 2。 图 1 洪屏地下厂房三维计算模型 图 2 洪屏地下厂房主洞室群模型 三维计算模型在划分网格后节点总数为 49069，单元总数 249963，模型四周及底部法 向约束，地表自由，岩体的初始应力在 z 向考虑自重应力，x 向的侧压系数为 0.75，y 向的 侧压系数为 0.8，地下厂房周边围岩以 II 类围岩为主，主要考虑对厂房围岩稳定有极大影 响的三条断层 F11，F521 和 f113，岩体及断层力学参数见表 1。根据上述资料，采用摩尔 库仑准则[1 ]，拟定了分 8 步进行地下厂房主洞室群的开挖，开挖具体步骤见图 3。为分析 简便，本文仅选取厂房典型位置 x0 剖面即机组中心线断面进行围岩稳定性分析。 4 计算结果分析计算结果分析 4.1 毛洞开挖计算结果分析毛洞开挖计算结果分析 4.1.1 位移及变形分析位移及变形分析 表 1 厂房周边岩体及断层力学参数表 建 议 指 标 抗剪断参数 岩性和断 层 容重 kN/m3 饱和抗压强度 （MPa） 变形模量 EoGPa 泊松比 f′ c′MPa II 类围岩 27.2 60 15.04 0.22 1.2 1.6 F11 断层 0.3 0.3 0.3 0.02 F521 断层 0.3 0.3 0.4 0.08 f113 断层 0.6 0.3 0.4 0.2 分布开挖的过程中主厂房洞周的变形均朝向洞内。全断面开挖后主厂房底板的回弹变 形为 12cm,顶拱处向下变形为 1.3cm。主厂房上下游边墙向厂房内的变形为 23cm。整个 厂房最大变形位于主厂房上下游边墙处。x0 剖面位置处的厂房附近围岩特征点位移见表 2。 -3- 图 3 厂房分层开挖顺序图 表 2 x0 剖面围岩监测点的位移（单位mm） x0 剖面 dx dy dz 顶拱 6.85 -0.72 -12.86 底板 7.95 -4.51 11.13 上游边墙 6.83 -32.16 -1.87 主厂房 下游边墙 7.53 27.16 -6.15 顶拱 6.67 6.14 -14.05 主变洞 底板 7.83 8.62 8.74 顶拱 6.92 5.83 -6.68 尾闸洞 底板 7.48 3.50 1.75 4.1.2 应力分析应力分析 全断面开挖后，主厂房的上下游边墙中部均出现了大面积的拉应力区，最大拉应力值 为 1.764MPa，厂房全断面开挖后 x0 剖面最大、最小主应力的大小及位置见表 3。 4.1.3 塑性区分布塑性区分布 全断面开挖后，在厂房洞室群开挖上下游边墙处均出现了大面积的塑性区，如图 4。 故应采取一定的加固措施。 4.2 加入锚杆和衬砌支护后的效果加入锚杆和衬砌支护后的效果 为保证围岩开挖后的稳定性，在计算中采用 FLAC3D 软件提供的结构单元 cable 单元 和 shell 单元来模拟锚杆和衬砌支护[1 ]，通过采取支护措施来对厂房周边围岩进行加固处 理，加强围岩稳定性，支护材料参数见表 4。 -4- 表 3 x0 剖面最大、最小主应力的大小和位置 第一主应力 第三主应力 应 力 位置 量值（Mpa） 位置 量值（Mpa）位置 第一分 层 -2 主厂房顶拱底座 -42.579 主厂房上游边墙 第二分 层 0.3336 主厂房上游边墙 -49.415 主厂房上游边墙 第三分 层 -1.345 主变室底部 -52.878 主厂房上游边墙 第四分 层 1.951 主厂房上游边墙 -39.131 主厂房下游边墙底部 第五分 层 0.796 主厂房底部 -39.650 主厂房下游边墙 第六分 层 1.825 主厂房边墙两侧 -37.993 主变室上游边墙 第七分 层 1.752 主厂房边墙两侧 -37.631 主变室上游边墙 第八分 层 1.764 主厂房边墙两侧 -37.56 主变室上游边墙 图 4 厂房全断面开挖后塑性区图 图 5 支护结束后塑性区图 表 4 围岩支护材料参数 支护材料 弹性模量 （MPa） 泊松比 容重 kN/m3 抗拉强度 （MPa） 抗压强度 （MPa） 衬砌混凝土 28000 0.167 25 1.3 12.5 喷钢纤维混凝土 30000 0.14 25.5 2.1 22 普通砂浆锚杆 200000 310 d≤25 290 d28～40 经计算，采取支护措施以后，厂房周边围岩变形减小了，洞室的整体稳定性有所加强， 塑性区分布较没支护前也减少了，支护过后 x0 剖面位置处的厂房附近围岩特征点位移见 表 5，塑性区分布见图 5。 -5- 5 结论结论 本文主要研究洪屏地下厂房围岩稳定特性和支护加固，采用三维显式有限差分法分析 手段，对洞室围岩稳定特性从位移、塑性区及支护结构等方面进行评价，通过分析可得出 以下结论 1 ANSYS 具有强大的前处理功能， 用 ANSYS 建模方便快捷， 但 ANSYS 不能解决大 变形问题，而 FLAC3D 在解决大变形问题方面是 ANSYS 无法比拟的。地下洞室开挖是一 个复杂的空间结构，属于大变形问题。故本文充分利用软件各自的优点，在 ANSYS 中建 立地下厂房模型再导入到 FLAC3D 中进行围岩稳定计算的。 2 本文所取计算模型区域地表面是真实模拟实际地表面形状的，与一般将地表面形 状简化成规则的平面是不同的，有利于提高计算精度，更符合实际情况。 3 洞室群在开挖过程中，洞周围岩主应力在-52.878～1.951MPa,绝大部分区域为压应 力，拉应力只发生在主厂房边墙两侧及底部。洞周围岩的应力分布，均远小于岩体的抗拉 和抗压强度，满足强度要求。 4 根据开挖后塑性区分布采取适当的支护措施以增加围岩的整体性，通过分析，在 对厂房区围岩进行加固处理后，围岩稳定性是可靠的，安全的。 表 5 x0 剖面围岩监测点的位移（单位mm） x0 剖面 dx dy dz 顶拱 6.96 -0.57 -12.73 底板 8.03 -4.63 11.12 上游边墙 7.09 -29.14 -1.06 主厂房 下游边墙 7.82 24.45 -5.73 顶拱 6.84 5.73 -12.81 主变洞 底板 7.93 8.24 8.29 顶拱 7.07 5.03 -6.49 尾闸洞 底板 7.48 2.87 1.59 -6- 参考文献参考文献 [1] Itasca Consulting Group Inc. FLAC-3D fast Lagrangian analysis of continua in 3 dimensions version 3.0[M].USAItasca Consulting Group Inc,1997. [2] 陈帅宇,周维垣,杨强,杨若琼.三维快速拉格朗日法进行水布垭地下厂房的稳定分析[J].岩石力学与工程 学报,2003,2271～5. [3] 禹芝文.向家坝地下厂房围岩稳定分析和支护设计研究[D].南京河海大学硕士毕业论文,2005. [4] 廖金彪. 小孤山水电站地下厂房围岩稳定分析研究[D].南京河海大学硕士毕业论文,2005. [5] 中南勘测设计研究院,龙滩水电站地下厂房围岩稳定分析专题研究报告[R],长沙中南勘测设计研究 院,2002. Analysis on Stability of Surrounding Rocks of Hongping Underground Plant Xia Feifei Hydraulic and Hydroelectric Engineering School of Hohai University, Nanjing , Jiangsu（210098） Abstract The paper establishes underground plant grid model by ANSYS, then transs the grid model to FLAC3D by ANSYS-FLAC3D program. According to the characteristics of Hongping underground plant, paper analysis the surrounding rocks stability and plastic zone distribution of the plant by FLAC3D, and it gives the reinforce measures to the underground plant. KeywordsANSYS；FLAC3D；underground houses；surrounding rocks stability 作者简介作者简介夏菲菲，女，1982.03，江苏扬州人，硕士研究生，就读于河海大学水利水电工 程学院水工结构专业，主要方向为水工结构以及地下工程数值仿真模拟计算研究。