花岗岩区地下厂房的三维有限元分析方法

（一）工程与地质概况

1.工程概况

该大型骨干电站的水库正常蓄水位750m，死水位690m，总库容50.6亿m3，有效库容38.82亿m3。装机容量300万kW。拦河坝系碎石土心墙土石坝，泄洪采用溢洪道和泄洪隧洞结合的方式，厂房选用左岸地下厂房长尾水方案。

地下厂房位于坝轴线左岸雄厚的Ⅰ、Ⅱ类花岗岩体内，上覆岩体厚度约300m，电站为首部式开发，进口位于坝轴线上游，单机单管供水，引水管道直径9.5m。厂房轴线方位为N45°E，主副厂房一字形布置，其下游平行布置主变室、尾水闸门室。无压尾水洞采用三机一洞方案，两条尾水洞断面尺寸为20mm×24.2m，长度分别为1005.82m 和757.173m。地下厂房总长290.65m，其中机组间距33m，主机间长202m，副厂房长28.65m，位于主机间右侧，安装间长60m，位于左侧。厂房高约70m，顶拱跨度32.1m，水轮机层高程669.5m以上部分高约39m（包括边墙与顶拱）采用锚喷混凝土支护；主变室宽17.8m，高25.19m，长234m；尾水闸门室宽17.4m，高45.51m，长178.3m，主变室及尾水闸门室均采用锚喷支护。主机间与主变室由母线洞连接，母线洞采用钢筋混凝土衬砌。

2.地质概况

厂址布置区山体雄厚，地面高程为830～9070m，厂房水平埋深为140～440m，顶拱垂直埋深为120～260m。岩体为微风化—新鲜完整质量优良的Ⅰ、Ⅱ类中粗粒花岗岩，构造破坏轻微（表8-1），弱风化岩体一般为Ⅲ类围岩。表中所列的断层，大部沿着辉绿岩脉发育。

表8-1　厂区主要构造特征表

厂区岩体质量分为三大区：一区为F12、F13断层以西区域，小断层发育，岩体完整性差，大多属Ⅲ类岩体；二区为F7 以南区域，岩体为弱风化，围岩质量多属Ⅲ类围岩；三区为F12、F13断层以东、F7 断层以北区域，构造简单、岩体完整，多属Ⅰ、Ⅱ类围岩。区内无大的断层切割，除断层破碎带、影响带外，岩体微风化—新鲜，呈整体状—块状结构，适于布置大型地下洞室。

厂区实测地应力值见表8-2。

表8-2　实测地应力值

注　1.方位角α以正北处为0，顺时针转为正；
2.倾角β以水平面以上为正。

岩石物理力学指标（见表8-3）。

表8-3　岩石物理力学指标

注　f =tanφ'；
1.α=f/；
2.k=3C'/。

（二）三维有限元分析

1.三维弹塑性有限元计算的数学模型和计算方法

弹塑性分析中采用辛格维茨-潘地屈服准则作为围岩岩体屈服的判据。

计算中锚杆采用隐式锚杆单元模拟，其基本方法是利用有限元中位移插值理论和静力等效原则移置荷载的方法来确定岩体单元任意位置的锚杆单元节点位移与节点力的关系，从而在剖分网格时无须考虑锚杆的存在而能决定锚杆单元对围岩刚度所起的作用。

程序中采用塑性荷载增量变刚度法进行弹塑性计算。

2.有限元计算条件与方案设计

（1）三维计算所取范围与结构面及边界模拟。计算中坐标的选取在平面上以地下厂房主机洞纵轴线为y 轴，原点在副厂房端墙上，x 轴指向下游。计算范围为x：-120.0～230.0m，y：-97.6～390.0m，立面上所取高程：550.0～810.0m，即计算范围长×宽×高为：487.6m×350.0m×260.0m（见图8-1）。

图8-1　计算范围内588m 高程地质构造平面图

计算中仅考虑了F9 - 1、F29断层及断层F9 的模拟，其他断层作为裂隙在围岩分类中予以考虑。

由于计算所取范围已足够大，从工程意义上已超过了洞室开挖的影响范围，故计算边界条件采用周边位移约束边界。

（2）围岩力学参数（表8-4）。

表8-4　围岩力学参数选用值表

（3）有限元计算方案。

整个分析计算过程分为如下3步，共10个方案进行。

1）准三维弹塑性计算方案Ⅰ。取一个完整机组段为代表，计算中考虑了断层F18。

A.厂房N35°E 纵轴线全断面开挖；(www.xing528.com)

B.厂房N45°E 纵轴线全断面开挖；

C.厂房N45°E纵轴线分四期开挖。

2）准三维方案比较计算Ⅱ：在方案比较计算Ⅰ的基础上，确定厂房纵轴线为N45°E，取完整的1#机组段为代表，计算中考虑了断层F9 - 1、F29。

D.全断面开挖线弹性计算方案；

E.分三期开挖弹性计算方案；

F.分三期开挖锚杆支护弹塑性计算方案；

G.分三期开挖长锚杆支护弹塑性计算方案；

H.分三期开挖断层处理弹塑性计算方案。

3）地下厂房洞室群整体三维计算：厂房纵轴线为N45°E，计算中考虑了断层F9、F9 - 1、F2 9。

Ⅰ.三维全断面开挖线弹性计算方案；

J.三维分三期开挖弹塑性计算方案。

地下厂房洞群布置横剖面见图8-2。

3.计算成果分析

（1）方案比较计算Ⅰ。

1）从地下厂房围岩稳定的角度来看，塑性区分布和洞周位移的量值，方案B 均较方案A 为好，塑性区范围在主机间上游侧下部、尾水管出口处、主变洞上游墙（与母线洞交叉口）及尾水闸门室上游边墙，方案B 较方案A 均有显著的缩小，洞周各部位最大位移方案B 亦普遍小于方案A，特别是主机间与尾水闸门室等高边墙洞室的水平x 方向位移变化较为显著，边墙径向最大位移能缩小5.1%～17.1%。对洞室稳定是有利的。说明方案B 即N45°E 纵轴线方案是较优方案。

图8-2　地下厂房洞群布置横剖面图

2）方案C为分期开挖方案，在洞室开挖完毕后，主变室洞周，主机间和尾水闸门室顶拱等部位位移比全断面开挖方案略小，而其他部位均有所增加，其原因，则因多次开挖对围岩的扰动强于一次全断面开挖，从塑性区分布范围看，主机间上游边墙下部及主机与尾水管和尾水闸门室与尾水洞的交叉处，方案C 比方案B 范围要广些。

（2）方案比较计算Ⅱ。

1）方案D和方案E的计算结果：由于断层F9-1斜穿主厂房，且在1 号机组段主机间下游侧母线洞高程与F29相交，并与母线洞、主机间等开挖面相互切割。随着开挖，厂区高地应力释放，使得断层张裂最大达4.2cm，母线洞顶拱断层出露处垂直错动1.5cm，主机闸下游侧F29出露处上下两侧相对错动达3.64cm，该处最大水平x 向弹性位移达-8.7cm，最大弹塑性位移达-10.6cm，结合塑性区分布范围看，主机间开挖后其下游边墙岩体将有可能沿F29断层滑塌。

主机间下游边墙和主变洞上游边墙最大的水平x 方向位移和垂直向位移大多发生在该两洞与母线洞交叉处，此两洞洞周塑性区分布范围图亦说明与母线洞交叉部位是塑性区最发育部位。

2）方案F系按照支护参数进行锚杆支护的弹塑性计算，计算结果表明，锚杆支护能提高围岩自身强度，帮助围岩自稳，防止洞周岩体松动以及局部岩块脱落。但对控制本工程地下厂房围岩的位移和塑性区开展作用不大。

3）方案G 在方案F 的基础上，将主机间下游侧墙上的锚杆加长，使其穿过断层锚固于下游岩体内。但计算结果表明，主机间下游侧最大x 方向位移由于方案F 的-10.73cm减为-9.1cm，对改善位移效果并不理想。

4）方案H在方案F的基础上，对F29进行处理，即在主机间下部尚未开挖而母线洞开挖完成后，在断层出露处顺断层开挖，加插筋、回填钢筋混凝土后，经计算结果表明，能防止在开挖释放荷载作用下断层的张裂。正因如此，塑性区穿过断层进入下游侧，说明断层两侧岩体形成整体共同维持洞室边墙的稳定，此时主机间下游侧最大x 方向位移减为-4.38cm，并避免了洞壁断层出露处的错动。

（3）地下厂房洞室群整体三维计算。计算结果表明：

（1）F9 - 1断层对洞室的相对位置对主机间周边拉应力的范围及分布部位影响很大，母线洞和尾水洞的存在使得其与主机间、主变洞及尾水闸门室的交叉部位拉应力量值较大。但各洞周压应力均不超过围岩强度，而各洞室上、下游边墙部位的最大主拉应力值在1.28～8.1MPa之间，已超过岩体所具有的抗拉能力，应视为加强支护的主要部位。

（2）断层对洞周位移的影响是明显的，地下厂房中受断层影响最大的是主机间。除了断层对围岩洞壁位移的影响外，母线洞的开挖对主机间下游边墙的位移亦有一定影响。

（3）围岩破坏形态主要以拉裂为主，随着塑性区向深部发展，才开始出现压剪破坏形态。以拉裂破坏形态为主的围岩塑性区分布规律表明：本工程最大主应力接近水平方向，而主要洞室均属高边墙洞室，其塑性区大多沿高边墙分布。塑性区的分布还受到软弱结构面和洞室群的相互交叉的影响。在交叉部位形成荷载最大，结构最薄弱的环节，特别是主机间与母线洞交叉，严重削弱主机间与主变洞间的岩壁，使得塑性区范围较深。

4.小结

（1）从应力、位移、塑性区分布范围来看，主机间纵轴线N45°E方案均优于N35°E方案。

（2）围岩可能受到损坏的首先是洞室的高边墙围岩，其破坏形态以拉裂为主，主拉应力方向大致为洞室径向。

（3）最危险的结构面主要是在主机间出露的F9、F9 - 1、F29等断层。

（4）主机间及尾水闸门室的上、下游高边墙是塑性区发育的主要部位，而主机间、主变洞和母线洞的交叉，削弱了洞间岩壁强度，应力恶化使得母线洞周围岩体大范围进入塑性区，它几乎贯穿了主机间与主变洞间岩壁，危及厂房下游边墙的稳定。因此加强各洞室交叉口的支护至关重要。

（5）地下厂房属高地应力区，岩体坚硬，洞室开挖规模大，故围岩所受荷载大，在此具体情况下，喷锚对由于断层张裂及切割体沿断层滑塌的支护效果不理想；但锚杆支护对提高由于开挖爆破而降低了围岩强度，加固围岩松动圈，减少塑性区，防止局部岩体塌落是必要的。据分析对设计中所拟支护参数，建议各洞室特别是主变室和尾水闸门室顶拱的支护可以减少，而应适当加强主机间上游侧墙F9 断层出露处附近的支护，主机间顶拱的支护应以软弱结构面出露处为主。