中国的水电建设事业正在迎来又一次新的发展时期,这些水电工程的地下厂房通常采用深埋的大型地下洞室群结构。洞室群大多处于高山峡谷等复杂的地质环境中,并且岩体介质性质特殊,使得分步开挖过程围岩稳定性问题突出。围岩稳定性研究有较多方法,其中数值模拟方法高效、方便、灵活,而基于快速拉格朗日分析的FLAC 3D数值计算是地下洞室围岩稳定性的有效分析方法。本文将以西部某水电站地下厂房为工程背景,用FLAC 3D数值模拟方法来研究大型地下洞室群分步开挖稳定性,具体内容及结果如下:1) 拟定三种不同的开挖顺序,用FLAC 3D软件模拟、计算分步开挖过程;2) 分析计算结果,总结洞室围岩变形、应力分布及塑性区范围变化规律,给出开挖过程重点监测部位;3) 对比计算结果,评价不同开挖步序的合理性,得出最优开挖顺序方案。 Hydropower construction in China is ushering in another new period of development, and large-scale underground cavern groups are mostly adopted in these projects. Moreover, these underground caverns are generally located in the high mountain-canyon areas which have complex geological conditions. And the rock mass is of special nature, which makes the problem of surrounding rock mass stability in stepped excavations prominent. There are a number of methods to study the stability of surrounding rock mass, in which the numerical simulation method is efficient, convenient and flexible. And the numerical calculation method of FLAC 3D based on fast Lagrange analysis is an effective method to analyze the stability of surrounding rock. In this paper, the FLAC 3D numerical simulation method is used to study the stability of large underground cavern groups by stepped excavation in a setting of a hydropower plant in western China. And the main investigation work and results focus on the following: 1) Three different excavation sequences programs were developed, and FLAC 3D software was used to simulate the stepped excavation process. 2) The results were analyzed and the deformation of the surrounding rock mass, the stress distribution and the variation range of the plastic zone are summarized. At the same time, the key monitoring parts in the excavation process are put forward. 3) The calculation results are compared in order to evaluate the rationality of different excavation sequences programs, and the optimal excavation scheme is selected.
中国的水电建设事业正在迎来又一次新的发展时期,这些水电工程的地下厂房通常采用深埋的大型地下洞室群结构。洞室群大多处于高山峡谷等复杂的地质环境中,并且岩体介质性质特殊,使得分步开挖过程围岩稳定性问题突出。围岩稳定性研究有较多方法,其中数值模拟方法高效、方便、灵活,而基于快速拉格朗日分析的FLAC 3D数值计算是地下洞室围岩稳定性的有效分析方法。本文将以西部某水电站地下厂房为工程背景,用FLAC 3D数值模拟方法来研究大型地下洞室群分步开挖稳定性,具体内容及结果如下:1) 拟定三种不同的开挖顺序,用FLAC 3D软件模拟、计算分步开挖过程;2) 分析计算结果,总结洞室围岩变形、应力分布及塑性区范围变化规律,给出开挖过程重点监测部位;3) 对比计算结果,评价不同开挖步序的合理性,得出最优开挖顺序方案。
大型地下洞室,分步开挖,围岩稳定性,FLAC 3D
Yaqin Zhang1, Weiqiu Kong2,3, Jian Li4, Haozhen Yue2,3, Yong Li3,5*
1Jinan Highway Administration Bureau, Jinan Shandong
2School of Civil Engineering, Shandong University, Jinan Shandong
3Geotechnical & Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan Shandong
4Shandong Hi-Speed Group, Jinan Shandong
5School of Qilu Transportation, Shandong University, Jinan Shandong
Received: Aug. 27th, 2020; accepted: Sep. 9th, 2020; published: Sep. 16th, 2020
Hydropower construction in China is ushering in another new period of development, and large-scale underground cavern groups are mostly adopted in these projects. Moreover, these underground caverns are generally located in the high mountain-canyon areas which have complex geological conditions. And the rock mass is of special nature, which makes the problem of surrounding rock mass stability in stepped excavations prominent. There are a number of methods to study the stability of surrounding rock mass, in which the numerical simulation method is efficient, convenient and flexible. And the numerical calculation method of FLAC 3D based on fast Lagrange analysis is an effective method to analyze the stability of surrounding rock. In this paper, the FLAC 3D numerical simulation method is used to study the stability of large underground cavern groups by stepped excavation in a setting of a hydropower plant in western China. And the main investigation work and results focus on the following: 1) Three different excavation sequences programs were developed, and FLAC 3D software was used to simulate the stepped excavation process. 2) The results were analyzed and the deformation of the surrounding rock mass, the stress distribution and the variation range of the plastic zone are summarized. At the same time, the key monitoring parts in the excavation process are put forward. 3) The calculation results are compared in order to evaluate the rationality of different excavation sequences programs, and the optimal excavation scheme is selected.
Keywords:Large-Scale Underground Cavern, Stepped Excavation, Surrounding Rock Mass Stability, FLAC 3D
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习近平总书记明确提出“节水优先,空间均衡,系统治理,两手发力”的治水思想,强调要通盘考虑重大水利工程建设,更多运用成熟适用技术等 [
据统计目前在全球的可再生能源发电领域内水电的比重高达80%,在中国,这一比例更是接近于85%,所以水电是全球替代化能源的第一主力 [
我国西南部及沿海地区水资源较为丰富,所以水电工程大多修建在西南及沿海地区。这些水电工程的发电系统通常修建在地下岩体内,采用深埋的大型地下洞室群结构,在水利发电枢纽中具有多个相互平行的地下主厂房、主变室和尾闸室等相邻洞室。而我国这些水电工程大多集中在西南部地区,处于高山峡谷等复杂的地质环境中,埋深较深,规模较大,空间结构复杂。并且岩体介质性质特殊,具有不确定性和多变性,使得开挖过程具有很大的未知性。同时,大型地下洞室群的分步开挖伴随着围岩的应力重分布,是一个动态不可逆的过程,存在着各种未知的风险。
复杂的地质情况导致我国的大型地下洞室的开挖过程事故频发,如福堂、锦屏二级、金平水等水电站发生过多次岩爆事故 [
正如世界上没有两片完全一样的树叶,也没有两个完全一样的地下工程,可见地下洞室工程具有复杂性、独特性和未知性。因此,对于大型地下洞室群分步开挖稳定性的研究对工程安全和国家的发展都具有重要意义。
综上所述,进行大型地下洞室群分步开挖稳定性的数值模拟研究具有较大的理论价值与工程意义,助力中国水电建设事业的顺利发展。
随着国家经济、科学技术的不断发展,水电工程的规模也越来越大,地下洞室群作为水电站的主体建筑,由许多相互连通的厂房洞室组成,其规模也逐渐扩大,结构日趋复杂,加之所处的地质条件复杂性,使得洞室开挖过程中围岩稳定性问题突出。
国内外学者对于地下洞室围岩稳定性的研究还没有形成系统全面的方法,大多是依托具体工程案例进行综合分析或是依靠经验。
在数值模拟分析方面,国内学者陈浩等 [
左双英、李洁等 [
朱维申 [
郑颖人 [
杨典森等 [
在综合方法方面,邱道宏等 [
孟国涛等 [
撒文奇等 [
在创新方面,苏国韶等 [
Johansson等 [
Jiao等 [
Ramamurthy等 [
N. M. Syrnikov等 [
Sitharam等 [
Lee等 [
Stabel等 [
Hibino等 [
该地区工程岩体结构为层状结构,地下泵站系统以III类围岩为主,局部分布有IV类围岩,以页岩为主。主泵室部位III类围岩约占85%;IV类围岩约占15%。下泵站范围内发育的裂隙有两个显著的特点:首先就是NE向陡倾角裂隙发育,其次为垂直NE向一组NW向裂隙发育,缓倾角裂隙主要为层间裂隙。结构面多泥钙质充填或无充填。
本工程由引水干线、灌区工程、工业和城镇供水工程三部分组成。引水干线主要建筑物包括进水塔、隧洞、地下泵站、连通洞及补水泵站、调蓄库及末端出水池。
本工程为II等工程,取水口、引水隧洞为2级建筑物,地下泵站为1级建筑物。
工程取水枢纽从取水口至出水池段,沿线长约6.2 km,设计取水流量20 m3/s,泵站装机容量8.4万kW。包括取水口、引水隧洞(1#隧洞)、调压井、引水压力管道、地下泵站、出水压力管道、出水池建筑物。
本区地震动反应谱特征周期值为0.40 s,地震动峰值加速度值山前大断裂以东为0.10 g,地震基本烈度为VII度。
地下泵站厂区主要建筑物由地下泵站(包括主泵房、副厂房和安装间)、通风机室、出水阀室、电缆竖井及连接洞、交通洞、通风洞、灌浆排水廊道、地面厂区等建筑物组成。安装间布置在主泵房右侧,副厂房布置在左侧,出水阀室布置在地下泵站厂房下游侧,距厂房净距20 m。为水泵电动机及变频启动装置供电的10 kV电缆从地面厂区的综合设备楼通过电缆竖井及连接洞引接。交通洞进口位于厂房右端,进入安装间。通风洞进口位于地面厂区平台西侧,从左端进入与厂房顶拱相连的2#通风机室。
采用FLAC 3D对地下厂房洞室群在分步开挖过程中的稳定性进行模拟计算。为了分析洞室群开挖步序的合理性,对比研究了三种开挖顺序下的地下洞室群围岩在分级开挖过程中位移场、应力场分布规律及围岩塑性区演化规律,揭示可能的围岩失稳方式及失稳部位,并得出最优方案。
根据工程实际与工程经验,地下洞室采用分层开挖的方式。地下厂房边墙不同高程分别与交通洞、通风洞、泵站支洞等洞室相贯通,开挖中按照小洞贯大洞(室)即小洞提前进入大洞的原则进行开挖。小洞洞口先进入厂房,再进行厂房边墙的开挖。
洞室群分步开挖三大开挖顺序方案为:1) 主泵室与出水阀室同步进行;2) 主泵室与出水阀室同高程开挖;3) 主泵室与出水阀室不同步错层施工。三种开挖方案开挖位置如下图1所示。
图1. 洞室群剖面开挖顺序方案示意图
在模型建立过程中,模拟了4#机组的主泵房、出水阀室、灌浆排水廊道、泵站1号、2号、3号支洞等,以及考虑对主泵房、出水阀室稳定影响较大的破碎带。相关参数的选择如表1所示。
类别 | 密度(kN/m3) | 弹性模量(GPa) | 泊松比 | 抗剪强度 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
凝聚力(MPa) | 内摩擦角(˚) | |||||
围岩 | III | 27.80 | 27 | 0.26 | 5.03 | 45 |
破碎带等 | IV | 21.25 | 0.8 | 0.23 | 0.6 | 42 |
表1. 岩体力学参数
经过前期三维初始地应力反演拟合计算,在包括厂房及出水阀室的中心区域,在x方向的侧压系数Kx约1.003,而Ky在y方向则为1.4左右。
4#机组三维模型共划分141,246个单元,27,583个节点。4#机组厂房网格图如图2所示。
为了进一步说明地下厂房各工程部位在分级开挖过程中的应力、变形特征,对各机组段的横剖面,分别在主泵室、出水阀室中选择代表性的特征点,提取特征点的位移、应力量值。各机组段特征点示意图参见图3。
图2. 4#机组厂房网格划分图
图3. 开挖关键点编号和位置
主泵室和出水阀室各个关键点的最终位移具体计算位移值如表2所示。
关键点 | 开挖方案1 | 开挖方案2 | 开挖方案3 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
水平位移 | 竖直位移 | 水平位移 | 竖直位移 | 水平位移 | 竖直位移 | ||
主泵房 | ZB01 | −0.589 | −1.733 | −0.576 | −1.694 | −0.351 | −1.627 |
ZB02 | −5.360 | −1.81 | −5.343 | −1.730 | −5.244 | −1.606 | |
ZB03 | 4.088 | 0.127 | 4.079 | 0.115 | 4.437 | 0.122 | |
ZB04 | −6.506 | −1.479 | −6.475 | −1.414 | −6.439 | −1.247 | |
ZB05 | 5.682 | 0.926 | 5.657 | 0.897 | 6.066 | 0.892 | |
ZB06 | −6.973 | −1.464 | −6.915 | −1.420 | −6.934 | −1.233 | |
ZB07 | 6.489 | 1.109 | 6.455 | 1.075 | 6.895 | 1.054 | |
ZB08 | −7.457 | −1.441 | −7.325 | −1.422 | −7.378 | −1.215 | |
ZB09 | 7.042 | 1.280 | 7.007 | 1.242 | 7.457 | 1.220 | |
ZB10 | −8.267 | −1.042 | −7.926 | −1.178 | −8.206 | −0.988 | |
ZB11 | 8.275 | 0.918 | 8.237 | 0.875 | 8.727 | 0.767 | |
ZB12 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | |
ZB13 | 7.546 | 0.948 | 7.470 | 0.907 | 7.947 | 0.707 | |
ZB14 | −1.533 | 1.485 | −1.581 | 1.397 | −2.140 | 1.313 | |
ZB15 | 5.783 | 1.334 | 5.683 | 1.316 | 6.042 | 0.990 | |
出水 阀室 | CS01 | −4.422 | −1.325 | −4.430 | −1.230 | −4.450 | −1.280 |
CS02 | −5.098 | −1.366 | −5.125 | −1.275 | −5.041 | −1.197 | |
CS03 | −3.458 | −0.173 | −3.499 | −0.094 | −3.724 | −0.231 | |
CS04 | −5.703 | −1.101 | −5.762 | −1.013 | −5.689 | −0.838 | |
CS05 | −0.671 | 1.218 | −1.047 | 1.323 | −1.644 | 1.169 | |
CS06 | −2.237 | 0.446 | −2.304 | 0.520 | −2.556 | 0.716 | |
CS07 | −0.899 | 1.704 | −0.978 | 1.781 | −1.460 | 1.827 |
表2. 三种开挖方案主泵室、出水阀室关键点最终位移值(单位:mm)
各方案开挖后的总位移云图如图4~6所示。
从图7各关键位置的最终位移可以看出,三个开挖方案总体规律一致。主泵室水平位移最大值均出现在边墙ZB10和ZB11处,垂直位移最大处均在拱顶及拱脚部位,但开挖方案二小于开挖方案一、三。
出水阀室水平位移最大值均出现在下游边墙CS04处,垂直位移最大值均出现在上游拱脚CS07处,
总体来说方案二扰动最小。
如上述,方案二优于方案一、三。
图4. 开挖方案一总位移云图
图5. 开挖方案二总位移云图
图6. 开挖方案三总位移云图
图7. 主泵室和出水阀室关键点最终位移变化曲线
主泵室和出水阀室各个关键点具体计算最大、最小主应力值如表3~4所示。
主泵室 | 第二步 | 第四步 | 第六步 | 第八步 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
位置 | 关键点 | 方向 | 方案1 | 方案2 | 方案3 | 方案1 | 方案2 | 方案3 | 方案1 | 方案2 | 方案3 | 方案3 |
拱项 | ZB01 | σ1 | −13.69 | −13.17 | −13.17 | −19.31 | −19.25 | −19.17 | −21.95 | −21.95 | −21.83 | −22.31 |
σ3 | −0.798 | −0.805 | −0.805 | −1.172 | −1.193 | −1.208 | −1.353 | −1.357 | −1.374 | −1.387 | ||
上游 边墙 | ZB03 | σ1 | −18.25 | −17.89 | −17.89 | −20.27 | −20.08 | −19.85 | −21.32 | −21.48 | −20.91 | −21.43 |
σ3 | −1.337 | −2.834 | −2.834 | −1.159 | −2.604 | −2.605 | −1.102 | −2.577 | −2.550 | −2.541 | ||
ZB05 | σ1 | −12.45 | −12.20 | −12.20 | −12.07 | −11.65 | −11.50 | −12.34 | −12.15 | −11.76 | −12.004 | |
σ3 | −1.502 | −0.948 | −0.948 | −0.913 | −0.428 | −0.419 | −0.872 | −0.426 | −0.389 | −0.384 |
上游 边墙 | ZB07 | σ1 | −7.235 | −7.468 | −7.468 | −3.120 | −3.012 | −3.013 | −3.022 | −2.996 | −2.982 | −2.950 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
σ3 | 0.009 | −0.092 | −0.092 | −0.099 | 0.130 | 0.112 | 0.057 | 0.059 | 0.019 | 0.088 | ||
ZB09 | σ1 | −7.725 | −8.082 | −8.082 | −3.123 | −3.075 | −3.042 | −3.019 | −3.016 | −2.968 | −2.952 | |
σ3 | −0.033 | −0.122 | −0.122 | −0.260 | −0.319 | −0.182 | −0.191 | −0.245 | −0.189 | −0.168 | ||
ZB11 | σ1 | −8.705 | −9.061 | −9.061 | −4.118 | −4.056 | −4.036 | −3.017 | −3.043 | −3.007 | −2.946 | |
σ3 | −4.943 | −5.001 | −5.001 | −0.618 | −0.662 | −0.683 | 0.008 | 0.013 | 0.004 | 0.045 | ||
ZB13 | σ1 | −9.221 | −9.433 | −9.433 | −12.90 | −13.47 | −13.63 | 0.244 | 0.240 | 0.270 | 0.234 | |
σ3 | −5.508 | −5.481 | −5.481 | −5.021 | −5.149 | −5.149 | 0.593 | 0.579 | 0.564 | 0.468 | ||
ZB15 | σ1 | −12.72 | −13.11 | −13.11 | −14.42 | −15.06 | −15.20 | −5.572 | −5.460 | −5.180 | −4.926 | |
σ3 | −3.509 | −3.531 | −3.531 | −3.898 | −3.985 | −3.972 | 0.170 | 0.011 | 0.170 | 0.005 | ||
下游 边墙 | ZB02 | σ1 | −13.69 | −14.95 | −14.95 | −13.04 | −14.04 | −14.54 | −14.21 | −13.61 | −14.99 | −14.30 |
σ3 | −2.163 | −0.617 | −0.617 | −1.557 | −0.115 | −0.195 | −1.660 | 0.086 | −0.189 | −0.067 | ||
ZB04 | σ1 | −11.23 | −12.04 | −12.04 | −6.833 | −7.974 | −8.308 | −7.174 | −7.056 | −8.089 | −7.555 | |
σ3 | −1.941 | −2.553 | −2.553 | −1.185 | −1.677 | −1.693 | −1.154 | −1.566 | −1.631 | −1.627 | ||
ZB06 | σ1 | −10.25 | −9.504 | −9.504 | −2.845 | −2.905 | −2.924 | −2.820 | −2.789 | −2.849 | −2.823 | |
σ3 | −0.166 | 0.010 | 0.010 | 0.093 | 0.119 | 0.080 | 0.111 | 0.146 | 0.150 | 0.127 | ||
ZB08 | σ1 | −13.02 | −11.80 | −11.80 | −3.016 | −2.915 | −2.908 | −3.054 | −2.854 | −2.893 | −2.828 | |
σ3 | −0.125 | −0.049 | −0.049 | −0.001 | −0.002 | −0.002 | −0.186 | −0.056 | −0.106 | 0.045 | ||
ZB10 | σ1 | −10.97 | −10.67 | −10.67 | −0.214 | −0.816 | −0.825 | 0.229 | 0.237 | 0.183 | −0.311 | |
σ3 | −4.481 | −5.042 | −5.042 | 0.494 | 0.370 | 0.373 | 0.419 | 0.338 | 0.317 | 0.274 | ||
ZB12 | σ1 | −7.421 | −6.223 | −6.223 | −8.623 | −8.378 | −8.243 | −19.63 | −21.09 | −18.76 | −20.06 | |
σ3 | −3.033 | −3.320 | −3.320 | −2.537 | −2.459 | −2.381 | −0.788 | −0.659 | −0.670 | −0.890 | ||
ZB14 | σ1 | −8.591 | −9.503 | −9.503 | −11.42 | −12.36 | −12.71 | −29.20 | −29.59 | −31.01 | −29.45 | |
σ3 | −6.486 | −5.829 | −5.829 | −5.476 | −5.246 | −5.094 | −4.430 | −4.764 | −4.641 | −4.482 |
表3. 各分期开挖方案主泵室周边关键点应力变化表(单位:MPa)
出水阀室 | 第二步 | 第四步 | 第六步 | 第八步 | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
位置 | 关键点 | 方向 | 方案1 | 方案2 | 方案3 | 方案1 | 方案2 | 方案3 | 方案1 | 方案2 | 方案3 | 方案3 | |
拱项 | CS01 | σ1 | −22.85 | −8.820 | −8.820 | −17.67 | −12.02 | −8.146 | −13.18 | −13.33 | −7.517 | −12.20 | |
σ3 | −6.171 | −6.038 | −6.038 | −5.309 | −4.125 | −5.252 | −4.503 | −4.589 | −4.590 | −4.520 | |||
上游 边墙 | CS03 | σ1 | −18.31 | −8.932 | −8.932 | −23.88 | −19.14 | −8.574 | −24.21 | −23.14 | −7.996 | −21.66 | |
σ3 | −3.397 | −6.194 | −6.194 | −2.682 | −3.101 | −4.630 | −2.580 | −3.198 | −3.660 | −3.452 | |||
CS05 | σ1 | −4.074 | −9.092 | −9.092 | −4.490 | −8.012 | −9.194 | −5.979 | −6.314 | −8.436 | −6.678 | ||
σ3 | −0.111 | −6.632 | −6.632 | −0.162 | −3.406 | −5.747 | −0.310 | −0.226 | −4.557 | −0.092 | |||
CS07 | σ1 | −17.09 | −9.761 | −9.761 | −13.80 | −10.64 | −10.66 | −10.33 | −10.18 | −10.75 | −9.726 | ||
σ3 | −0.606 | −6.436 | −6.436 | 0.057 | −5.107 | −5.840 | −0.266 | −0.359 | −5.067 | −0.610 | |||
下游 边墙 | CS02 | σ1 | −10.97 | −8.923 | −8.923 | −8.631 | −9.077 | −8.599 | −8.603 | −8.655 | −8.236 | −9.389 | |
σ3 | −2.643 | −6.193 | −6.193 | −2.273 | −2.535 | −5.348 | −2.151 | −2.170 | −4.827 | −2.205 | |||
CS04 | σ1 | −3.590 | −9.641 | −9.641 | −3.788 | −14.74 | −9.939 | −4.344 | −4.300 | −9.788 | −4.661 | ||
σ3 | −0.358 | −6.261 | −6.261 | −0.394 | −6.427 | −5.441 | −0.459 | −0.489 | −4.760 | −0.420 | |||
CS06 | σ1 | −25.64 | −9.175 | −9.175 | −28.47 | −10.54 | −9.385 | −28.74 | −28.57 | −9.053 | −27.04 | ||
σ3 | −3.383 | −6.736 | −6.736 | −3.905 | −5.673 | −6.224 | −4.185 | −4.200 | −5.736 | −4.175 |
表4. 各分期开挖方案出水阀室周边关键点应力表变化(单位:MPa)
说明:表中应力拉为‘+’,压为‘−’。
三种方案开挖后的应力云图如图8~10所示。
图8. 主方案一开挖后σ1、σ3云图
图9. 主方案二开挖后σ1、σ3云图
图10. 主方案三开挖后σ1、σ3云图
图11. 主泵室与出水阀室σ1、σ3最终值变化曲线
由图11可以看出,主应力基本上都为压应力。三种开挖方案,主泵室围岩应力分布规律基本一致,数值接近,下游中部受断层破碎带的影响而出现较大的应力集中;主泵室应力最大点为拱脚ZB14,σ1均在−29.5 MPa左右,σ3均在−4.5 MPa左右;其次σ1较大的是拱顶ZB01、边墙ZB03与ZB12,均在−22 MPa左右;边墙ZB10与ZB13出现较小的拉应力。
三种开挖方式,出水阀室最终应力分布基本一致,数值相差不大;σ1较大的是拱脚CS06和上游边墙CS03,分别达到大约−28 MPa和−23 MPa。
三种开挖方案洞室围岩塑性区范围如图12~14。
图12. 开挖方案一围岩塑性区范围
图13. 开挖方案二围岩塑性区范围
图14. 开挖方案三围岩塑性区范围
由图12~14可以看出,洞室周围塑性区主要集中在边墙部位,主要为拉伸破坏,开挖方案一主泵室与出水阀室塑性区连通较多,开挖方案二、三塑性区连通较少。
分步开挖 | 方案一 | 方案二 | 方案三 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
主泵室 | 出水阀室 | 总计 | 主泵室 | 出水阀室 | 总计 | 主泵室 | 出水阀室 | 总计 | |
1 | 1007.54 | 374.96 | 947.02 | 947.02 | |||||
2 | 665.05 | 744.13 | 662.13 | 662.13 | |||||
3 | 1431.98 | 762.62 | 1363.01 | 1363.01 | |||||
4 | 3141.68 | 923.34 | 2743.68 | 321.61 | 2674.98 | ||||
5 | 3889.01 | 1097.60 | 3766.12 | 807.56 | 3358.84 | ||||
6 | 4018.67 | 1097.61 | 5116.28 | 3853.48 | 809.73 | 4663.21 | 3473.48 | ||
7 | 3684.34 | 352.09 | |||||||
8 | 3949.50 | 668.64 | 4618.14 |
表5. 各分步开挖方案洞室周边塑性区体积变化表(单位:m3)
由表5中的分步开挖过程中的塑性区变化可以看出,在无支护条件下三种开挖顺序中,方案一的主泵室塑性区体积、出水阀室塑性区体积和塑性区总体积都较大,方案二、方案三的各项塑性区体积较小,对周围围岩的扰动较小。
主泵室 | 开挖方案1 | 开挖方案2 | 开挖方案3 | |||
---|---|---|---|---|---|---|
上游边墙 | 下游边墙 | 上游边墙 | 下游边墙 | 上游边墙 | 下游边墙 | |
塑性区深度 | 5.6 | 11.7 | 5.2 | 7.5 | 5.1 | 6.6 |
表6. 三种开挖方案主泵室塑性区深度比较(单位:m)
由表6各种支护方式主泵室塑性区深度比较可看出,开挖方案一塑性区深度最大,方案二、三较小。
综上所述,开挖方案一塑性区范围较大,对洞室围岩扰动较大,方案二、三塑性区范围较小,扰动较小。
三种开挖方案围岩稳定总体规律是一致的,方案二和方案三差别不大且围岩相对方案一较为稳定,但开挖方案二较方案三稍好些,理由如下:
1) 方案二、方案三洞周位移相对方案一小;
2) 方案一、方案二、方案三洞周应力分布和变化差别不大;
3) 方案二、方案三洞周塑性区范围相对方案一小;
4) 方案一、方案二分6步进行,方案三分8步进行,方案一、二步数较少,节省工时。
对于围岩稳定性的研究目前大多是依据具体工程进行分析,不具有普遍借鉴意义,对于进行较为系统的研究,总结出更适合大多数工程的规律,应是以后有待进一步研究的课题。基于西部某水电站厂区工程工程,得出了以下结论:
1) 模拟具有局限性。洞室施工应遵循边开挖边支护的原则,以保证围岩稳定性,本文只进行了开挖而没有进行支护,方便了进行开挖方案的比选,但是与实际工程不符,应在进行不同开挖方案的时候加上支护的内容。
2) 围岩稳定性研究有较多方法,其中数值模拟方法方便、灵活,基于快速拉格朗日分析的FLAC 3D数值计算是地下洞室围岩稳定的有效分析方法。本文即通过FLAC 3D数值计算模拟出不同的开挖顺序,通过对比得出最优的开挖方案。
3) 对计算结果进行分析,研究无支护条件下洞室群围岩的变形、洞周应力及塑性区范围变化规律;评价不同开挖步序的合理性,得出最优开挖顺序方案,并提出开挖过程中重点监测部位。
山东省交通厅科技发展计划(2019B47_1)和国家自然科学基金(51879149)。
张亚勤,孔维秋,栗 剑,岳好真,李 勇. 基于FLAC 3D的大型地下洞室群分步开挖稳定性数值模拟研究Numerical Simulation on Stability of Large-Scale Underground Caverns during Step-by-Step Excavation Based on FLAC 3D[J]. 土木工程, 2020, 09(09): 913-932. https://doi.org/10.12677/HJCE.2020.99096