蒙江流域灰洞水电站调压室围岩稳定性分析

摘要：介绍了灰洞水电站洞挖式调压室的开挖稳定分析、开挖过程模拟等内容及特点。

关键词：阻抗式调压室施工过程模拟 有限元模型应力及变位

1. 工程概况

灰洞水电站是蒙江流域格凸河干流上的第六级电站，坝址以上流域集水面积2273km2。工程位于贵州省黔南布依族、苗族自治州长顺县境内，水库总库容256×104m3，为IV等小（1）型水库，中型电站。引水式开发，装机2×25MW，年发电量2.016亿kW•h。枢纽由混凝土砌石双曲拱坝、左岸发电引水隧洞、洞挖阻抗式调压室、压力埋管及发电厂房组成。主要建筑物为4级建筑物，大坝枢纽设计洪水标准按50年一遇，校核洪水标准按200年一遇。

调压室为圆形洞挖阻抗式，最高涌波水位664.15m，最低涌波水位635.63m，正常水位645.22m。调压室断面半径9.5m，过流底板高程624.30m，采用1.2m厚C30钢筋混凝土衬砌，下部设集石坑，集石坑直径3.6m。阻抗孔顶板高程633.0m，厚度2.5m，阻抗孔直径3.1m，C30钢筋混凝土浇筑。调压室井筒在648.0m以下采用2.0m厚C20钢筋混凝土衬砌，648.0m～667.0m高程采取2.0m渐变至1.0m厚C20钢筋混凝土衬砌，为提高混凝土的抗裂防渗性能，采用外加抗裂防渗纤维，按1.0kg/m3计。在667.0m高程以上圆弧型顶拱，中心角为120°，半径12.1m，拱顶用60cm厚C20钢筋混凝土衬砌，至侧墙处衬砌厚度为1.0m。调压室底板、上、下游渐变段、井筒以及顶拱均进行固结灌浆，灌浆孔深4.5m～6.0m，间距3.0m。沿井筒周边围岩布置Φ25系统锚杆，间距2.0m，根长4.5m，顶拱布置Φ32系统锚杆，间距3.0m，根长15m。

调压室工程于2011年3月动工，预计2011年12月底衬砌完成。

2. 调压室地质概况

调压室位置的地质情况为：南、北两侧为宽缓山坡，地形坡度30～40°，西面较大范围内地形较为平缓，东面距格凸河峡谷陡崖边缘约110m。场地内基岩出露，出露地层岩性为P2w2灰岩，岩层产状125～130°∠30～38°。局部覆盖层为残坡积含碎石粘土层，厚0～2m，岩体强风化层深10～15m。调压室附近冲沟岸边节理裂隙发育，主要裂隙面有：①N30～40°E/NW∠61～83°,②N75～80°E /SE∠71～78°,③EW /N∠72°三组陡倾节理裂隙。场区附近无大的断层构造和不利坡体稳定的结构面发育，岩体较完整，未见不稳定岩体和危岩。岩层倾坡内、倾角25°左右，自然坡体稳定。调压室出露基岩为硬质岩，岩体较完整，强度高。弱风化至新鲜岩体岩块饱和抗压强度可达40～70MPa。

3. 研究方法

本次计算主要是借助FLAC3D软件进行的。FLAC3D软件提供了丰富而强大的结构单元模型，包括梁单元、锚索单元、桩单元、壳单元、土木格栅单元和衬砌单元等，可以很好的模拟岩土体与结构的作用。

采用FLAC3D进行数值模拟时，有三个基本部分必须指定：有限差分网格；本构关系和材料特性；边界和初始条件。

4. 开挖稳定分析计算模型

4.1几何模型

采用ANSYS软件建模，三维计算模型包含调压室、发电引水隧洞、压力钢管，并考虑调压室的分步开挖区域。模型总体坐标系为笛卡儿直角坐标系，以调压室的轴线为中心，高程为0m处为坐标原点，X轴沿山体走向，Y轴竖直向上为正，Z轴沿山坡倾向，指向山里为正。

4.2 计算范围

根据计算要求和一般经验，本次计算在X、Y、Z三个方向分别取123.2m×236m×123.2m，模型底部高程为540.0m，模型顶部最高高程为776.0m。整体坐标范围为： -61.6 X 61.6， 540 Y 776，-61.6 Z 61.6。

4.3 网格剖分

沿径向厚度取划分3层单元，为防止应力梯度的变化过大和产生应力集中，把调压室处单元网格加密，由内往外逐渐扩散为粗放网格。整体采用八节点六面体单元，极个别部位用四面体或无面体单元填充。三维计算区域总共剖分167781个单元，节点总数为147077个。

4.4 约束条件

位移边界条件

左边界（z＝61.62m）、右边界（z＝-61.62m）、前边界（x＝61.62 m）、后边界（x＝-61.62 m）约束水平方向的位移；模型的底面（Y＝540m）约束垂直方向的位移；模型的顶面按照自由面处理。

面力边界条件

左边界（z＝61.62m）、右边界（z＝-61.62m）、前边界（x＝61.62 m）、后边界（x＝-61.62 m）均施加梯度边界荷载。

5. 材料说明

5.1岩体

1、本构模型

地下结构埋藏于岩石地层之内，并与岩石相互作用。岩石是经历多次地质构造运动形成的极为复杂的材料，高度的非线性是其本质特征之一，岩体比起其他材料（如金属、混凝土、土体），其力学行为的非线性和动态演化的特征显得更为显著和强烈。因此，对地下结构及其周围的岩体介质，可按材料非线性问题进行分析。对大多数岩土工程材料来说，当其应力低于比例极限时，应力－应变关系是线性的，表现为弹，即当移走荷载时，其应变也完全消失。

本次分析对岩体采用摩尔-库仑屈服准则。该屈服准则中岩体和土质的破坏条件是以剪切破坏表示：

C―粘聚强度，σ―破裂面上的正应力， ―破裂面上的剪应力，φ―内摩擦角。设定主应力的大小次序为σ1 σ2 σ3，则上式摩尔―库仑屈服面的主应力表达式如下：

2、材料参数

据工程实际地质情况并结合类似工程确定岩石力学参数,在计算中，需赋予采用摩尔-库仑本构模型材料的计算参数、材料参数名称及取值见表1。

5.2 混凝土

混凝土本构模型采用各向同性弹性模型。弹性本构模型具有卸载后变形可恢复的特性，其应力-应变规律是线性的，与应力路径无关。在计算中，必须要赋予采用弹性本构模型的材料3个计算参数。见表2。

6. 开挖过程模拟

假定发电引水隧洞、压力钢管和基石坑已经开挖完毕的情况下，调压室采用分级开挖，分为8步进行开挖模拟，如图1所示。开挖后及时施加锚杆；全部开挖以后一次性进行衬砌。

开挖设置空单元的方式来模拟，在计算过程中空单元中的应力会自动设置为0。

6.1 锚杆模拟

6.1.1模拟方法

锚杆作为主要加固措施，对于限制围岩、维护洞室稳定有着重要作用，特别岩体存在软弱结构面时，其效果更加显著，而影响锚杆加固效果的因素很多，其加固机理也十分复杂。本次计算采用第二种模拟方法,采用梁单元或杆单元来模拟锚杆，通过粘结单元与围岩共同受力变形。

6.1.2 模拟原理

锚杆构件自由度为两个，各轴向位移对应有轴向力，锚杆结构有限单元的刚度矩阵在每个节点对其轴向响应只包含单一自由度。

6.1.3锚杆参数

在锚杆模拟中，需要输入以下必选参数，见表3

7.计算荷载

考虑开挖后施工完建工况（衬砌后）、最高涌水工况、暴雨期工况对调压室稳定性和衬砌的影响。内水荷载和外水荷载按照面力形式作用于衬砌上计算结构受力状况，衬砌按线弹性计算，衬砌与围岩变形协调，忽略两者之间的滑移。

8.调压室稳定分析成果

8.1初始应力场分析

开挖之前，天然的岩体在其自重及其他力场的作用下，内部已形成一稳定的天然应力场。结合本工程情况，由于缺少施工前初始地应力场实测资料，采用边界荷载调整法进行初始地应力场模拟，考虑自重应力场和构造应力场。

8.2 剖面图及关键点分布

为了全面了解围岩稳定情况，切出3组剖面观测剖面上的位移及应力结果，同时，选取9个关键点跟踪位移及应力发展情况。剖面位置如2所示，关键点如3所示。

8.3位移分析

由于临空面的存在，洞室围岩位移朝向洞内：顶拱围岩下沉；洞周边墙向洞室中心变形；洞室底板处及基坑上移；基石坑边墙向基坑中心变形。其中，顶拱位移在外水作用下达到最大值，为3.2mm，调压室的位移最大值4.9mm发生在调压室底板点7处。

8.4应力分析

8.4.1围岩应力场分析

岩体开挖后，破坏了原有岩体自身的应力平衡，促使岩体进行应力调整。伴随着围岩地应力的释放，应力发生重分布。通过分析和比较，在各种工况下，围岩拉应力最大为1.0MPa，位于调压室底板和基石坑边墙；围岩最大压应力位于井周处，在底板附近达到-4.0MPa；开挖后拱顶最大拉应力为0.1MP，最大压应力为-1.0MPa。调压室周围未出现塑性区。

8.4.2衬砌应力

分别给出在施工完建期、内水作用和外水作用三个工况下调压室衬砌的最大和最小应力。

在施工完建期，调压室衬砌大部分部位的第一主应力均为0MPa左右，最大第一主应力为0.3MPa，位于底板衬砌下表面；大部分衬砌的第三主应力为-0.2MPa左右，最大第三主应力为-2.2MPa，出现在基石坑底部外表面的拐角处。

在内水作用下，调压室衬砌最大第一主应力为0.5MPa，位于底板衬砌外缘；调压室衬砌第三主应力的分布情况与施工完建期工况基本相同，最大第三主应力的大小为-2.2MPa，出现在基石坑底部外表面的拐角处。

在外水作用下，调压室衬砌第一主应力＞零，最大第一主应力为0.9MPa，位于底板衬砌和基石坑边壁；调压室衬砌最大第三主应力为-2.0MPa，出现在衬砌的拐角及边缘部位。

8.4.3锚杆受力分析

从计算结果看，锚杆处于受拉状态，锚杆轴力未达到锚杆抗拉极限（拉伸屈服力为147.2KN，见锚杆参数），拱顶的锚杆轴向拉力比洞身的锚杆轴向拉力偏大，见表4。

在洞室开挖阶段，锚杆受力的增长主要在初期完成，后期逐渐稳定，这与围岩的变形主要在初期发生是一致的。在内水压力的作用下围岩和衬砌变形减小，围岩应力状态转好，锚杆的轴向拉应力无太大变化。临空面的存在使得衬砌在外水压力作用下有向内变形趋势，锚杆起到了限制围岩变形的作用，因此锚杆产生较大拉应力,此时拱顶锚杆最大应力达到25.6MPa, 洞身锚杆最大应力达到29.5MPa＜300MPa(拉伸屈服强度),因此采取这种适时支护的施工方式是可行的。

9. 结语

1、围岩整体变形不大，顶拱位移在外水作用下达到最大值，为3.2mm，调压室的最大位移位于调压室底板点7处为4.9mm。

2、调压室围岩拉应力较小，未出现塑性破坏区域。在各计算工况下，围岩拉应力最大值为1.0MPa，位于调压室底板和基石坑边墙；围岩最大压应力位于井周处，在底板附近达到-4.0MPa。拱顶最大拉应力为0.1MP，最大压应力为-1.0MPa。

3、外水作用为最不利工况，在该工况下调压室衬砌第一主应力均大于零，最大第一主应力为0.9MPa，位于底板衬砌和基石坑边壁。

4、锚杆最大拉应力29.5MPa＜300MPa(拉伸屈服强度)。

5、数值分析结果表明，灰洞水电站调压室的围岩位移、应力分布规律合理，围岩是稳定的。

注：文章中涉及的公式和图表请用PDF格式打开