地应力对地下厂房围岩稳定性影响的三维有限元分析

李春辉，任哲明，王洪洋，刘天鹏

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130061；2.水利部寒区工程技术研究中心,吉林 长春 130061）

1 引言

抽水蓄能是构建新型电力系统的关键支撑,加快建设抽水蓄能电站对促进新能源高效开发利用、电力系统安全稳定运行、如期实现“双碳”目标意义重大,因此对抽水蓄能电站相关研究与日俱增[1-4]。一般大型抽水蓄能电站所处地质环境复杂,洞室纵横交错,且地下洞室被断层切割,由于断层于地下洞室相交的任意性,很难正确模拟断层对洞室围岩稳定的影响。

兴城抽水蓄能电站地下厂房洞室具有跨度大、边墙高、洞室数量多、交叉多、工程布置集中等特点,为确保地下结构的稳定性及安全性,对洞室群的围岩稳定性进行综合评价,重点关注大跨度洞室高边墙、主厂房与主变隔墙、顶拱、洞室交叉口、软弱夹层、地质构造带和其它重要部位岩体结构的安全稳定问题,为合理选择地下厂房洞室的开挖方式、支护方式、支护参数等提供依据,对工程的经济性和安全性有着非常重要的意义。

地下工程的失稳主要是由于开挖引起的应力重分布超过了围岩强度或引起围岩过分变形而造成的。应力重分布是否会达到危险的程度与地应力的方向、量值和性质关系密切。初始地应力场分布影响了大型地下洞室群的变形破坏模式,进而影响地下洞室群的开挖支护设计方案,是大型地下洞室群安全建设的基础数据,也是影响地下洞室稳定的因素之一。因此揭示大型地下洞室群地应力场的分布规律十分必要[5]。

2 计算原理

2.1 支护模拟

对于锚固机理及对岩体力学性能的改善,国内外学者做了大量的研究和模型试验。兴城抽水蓄能电站地下厂房系统围岩稳定计算,采用实体模型方式和虚拟锚杆方式相结合的方法模拟洞周支护。厂房岩壁吊车梁的抗拉、抗压锚杆用实体模型方式模拟,厂房、主变室与尾闸室洞周的系统锚杆则采用虚拟锚杆的方法模拟,以提高洞周支护围岩材料性能的方式实现。

锚固岩体的等效凝聚力：

式中：C岩体为岩体的凝聚力；τ、S 分别为锚杆材料的抗剪强度和横截面积；a、b 为锚杆的纵横向间距；η为综合经验系数。

2.2 断层模拟

兴城抽水蓄能电站所处地质条件好,只有一条较大断层fk41通过主厂房、主变洞、母线洞及尾水管,本计算将fk41断层模拟成实体单元,即物理力学性能较差的“软单元”。这种方法将断层模拟为均匀的连续体,位移及应力均可传递,虽无法模拟断层的闭合或张开状态,但由于“软单元”的力学性能较差,因此也能近似地模拟断层的作用。此方法简单易行,计算时更容易收敛,在有限元分析中多为工程界所采用。

2.3 地应力反演模型

一般认为厂址区域的实测初始地应力及其所反映的初始地应力场是下列变量的函数：

式中：σ 为初始地应力值,三维问题代表六个应力分量；x,y,z为地形和地质体空间位置坐标系,可由勘探资料获得；E,μ,γ分别为岩体的弹性模量、泊松比和容重；Δ为自重因素；U,V,W为地质构造作用因素；T 为温度因素。

采用弹性工作状态下的线性叠加原理,计算各点的初始地应力值：

式中：Li（i=1,2,3,…）为回归系数；εk为观测误差。

3 计算模型及参数

3.1 地应力反演模型

依据区域地表等高线图和前期勘察资料,参考厂址区所在地理位置,以洞室群为核心向外扩展适当范围,建立兴城抽水蓄能电站厂址区域初始地应力场反演的三维数值计算模型,模型范围远大于后期洞室群开挖影响范围。数值计算模型采用四面体网格,单元总数224 万,节点总数39.8 万,fk41断层宽度3 m。三维地质模型参见图1。

图1 兴城水电站厂址区域地应力场反演用三维数值计算模型

3.2 有限元模型

计算模型包括厂房区域岩体、厂房洞室、主变室、尾闸室、母线洞、尾水洞,以及厂房洞室的岩壁吊车梁和吊车梁锚杆。地下厂房洞室群的有限元模型见图2。按照兴城地下厂房区域的地质情况,建立开挖洞室群及围岩的基本力学模型,模拟其岩体性质、断层等地质构造。实测及反演计算出的地应力则作为边界条件施加到模型上。分析模型模拟了洞室群周边围岩,向底部和四周各扩展厂房洞高3 倍以上,顶部取至山顶,计算模型共化分单元47.4 万个,节点8.7 万个,整体计算模型见图3。

图2 地下厂房洞室群的有限元模型

图3 整体计算模型

3.3 材料参数

综合考虑地下水、岩脉及节理裂隙等因素,计算中岩体力学参数取值为Ⅱ和Ⅲ类的平均值,断层采用Ⅳ类,物理力学参数见表1。采用强度等效的方法模拟系统锚杆支护,即将支护围岩的弹模提高10%,凝聚力和摩擦系数提高5%。

表1 计算中采用的物理力学参数

4 计算成果分析

4.1 地应力分析

4.1.1 实测地应力分析

图4 和图5 分为ZK212 钻孔和ZK216 钻孔各测试段压裂过程中的压力－时间记录曲线。

图4 ZK212 孔压力记录曲线

图5 ZK216 孔压力记录曲线

结合主应力方向测量结果,由ZK212 及ZK216 孔地应力实测数据分析表明,兴城抽水蓄能电站地下洞室群区域总体上最大主应力量值为10.71 MPa～15.68 MPa,方位近于正Z 轴指向（NE62°04'44''）,这与测试钻孔附近的最大主压应力方向以NEE 向为主,水平最大主应力优势方向为N55°～66.7°E 测试结果相近。

4.1.2 地应力反演分析

图6 为计算获得的主厂房、主变洞和尾闸间三个洞室沿轴线纵剖面的最大主应力和最小主应力云图。

图6 典型剖面地应力场应力云图（黑色虚线框为地下洞室群区域）

反演结果表明,厂房区、主变室和尾闸间最大主应力量值为10 MPa～14 MPa,最大主应力优势方向为N60°～65°E,中间主应力量值为6.0 MPa～10.0 MPa,最小主应力量值为5.0 MPa～7.5 MPa；断层附近主应力出现突变,略有降低。

4.2 围岩稳定计算结果

4.2.1 以实测地应力为边界条件的围岩稳定分析

如图7,厂房洞室周边的最大拉应力为1.00 MPa,出现在主厂房洞室开挖第一步。厂房洞室周边的最大压应力为34.00 MPa,出现在第三开挖步厂房下游边墙处。主变室洞周最大拉应力1.00 MPa,出现在第三开挖步主变洞上游边墙处。主变室洞周最大压应力28.00 MPa,出现在主变室第五开挖步的上游边墙。尾闸室洞周最大拉应力2.00 MPa,出现在第四开挖步的尾闸室底板处。尾闸室洞周最大压应力18.00 MPa,出现在第六开挖步的洞室下游边墙处。

图7 以实测地应力为边界条件的应力云图

4.2.2 以地应力反演结果为边界条件的围岩稳定分析

如图8,开挖过程中厂房洞室最大拉应力为1.10 MPa,位于开挖全部完成后的厂房底板。厂房洞周的最大压应力为32.00 MPa,位于第三开挖步的厂房下游边墙。主变室洞周最大拉应力1.20 MPa,位于第五开挖步的主变室下游边墙。主变室洞周最大压应力25.00 MPa,出现在第六开挖步及之后的上游边墙。尾闸室上、下游边墙拉应力较大,洞周最大拉应力1.50 MPa,出现在首次开挖的洞室底板。尾闸室洞周最大压应力18.00 MPa,出现在第六开挖步的洞室底板以及开挖完成后的洞室顶拱。

图8 以地应力反演结果为边界条件的应力云图

图9 两工况塑性区分布对比图

4.2.3 不同地应力围岩稳定分析

两种地应力条件下,三大主体洞周主应力的极值列于表2。表2 中可见,以地应力反演计算得到的地应力场为边界条件时,三大主体洞室洞周应力基本略有减小。两种地应力场作用下,洞周围岩的应力规律基本一致,反演计算的地应力值略低。

5 结论

本文采用水压致裂法进行实测地应力分析,并对地应力场反演,得出实测地应力值及反演值。基于有限元方法,分别以实测地应力和地应力反演结果为边界条件,计算分析了地应力对地下洞室群围岩稳定性的影响,结果表明地下洞室应力场受初始地应力条件的影响,地应力反演计算得到的地应力场较实测地应力略小。以地应力反演计算得到的地应力场为边界条件时,三大主体洞室洞周应力基本略有减小,塑性区略有减小。两种地应力条件下,洞周围岩的应力规律基本一致,均满足设计要求。