玛尔挡水电站地下厂房洞室围岩稳定三维有限元分析

    章朝峰

    

    

    

    摘要：在岩体结构模型概化的基础上，采用三维有限元方法，系统地研究了玛尔挡水电站地下厂房围岩稳定变形、围岩应力特征以及破坏区分布等特点。重点计算、比较了支护前后及考虑渗透情况下地下洞室群围岩应力、变形和破坏区分布及塑性体积特征和变化规律。为洞室群稳定性评价和工程施工设计提供了参考依据。

    关键词：有限元法；地下洞室；围岩稳定；玛尔挡水电站

    1工程背景

    玛尔挡水电站地下厂房、主变洞及尾闸井三大洞室采用平行布置方式，地下厂房埋深大约205m，纵轴线方向NW38。，开挖尺寸221×26×74m，最大开挖跨度约29m，围岩为新鲜至微风化的石英二长岩（花岗岩），强度高，岩体为完整至较完整块状结构，结合紧密，其中围岩类别主要以Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类，局部处于断层破碎带的岩石为v类。主变室及尾闸井位于厚层变质砂岩中，主变室开挖尺寸179×20×24.5m。

    2有限元分析模型

    地下洞室有限元模型如圖1所示，三维整体模型有限元网格如图2所示，边界条件为模型底面和侧面均为固端约束，模型上部为地表自由表面。计算域边界需满足洞室周围岩石厚度不少于5.5倍开挖跨度的要求，距离地表不足4倍开挖跨度时算至地表。计算域内包括主厂房、母线洞、主变开关室、尾闸室、引尾水洞等洞室。

    3物理力学参数选取

    结合PD18、PD02平硐、钻孔揭露及地表测绘，地下厂房区主要发育NNW向、NNE向高倾角结构面及缓倾角结构面。围岩为新鲜至微风化的石英二长岩（花岗岩）其强度高，岩体为完整至较完整块状结构，结合紧密，其中围岩类别主要以Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类，局部处于断层破碎带的岩石为v类。其中地下厂房洞室围岩参数选取见表1。

    根据枢纽布置，右岸二长岩地下厂房方案主厂房位于二长岩内，主变室部分位于二长岩中，部分位于变质砂岩中，尾闸井位于变质砂岩内。

    4围岩稳定性评价方法

    锚杆安全的评判：

    本报告采用锚杆的实测拉拔力应小于锚杆的允许拉拔力来评判锚杆安全与否。影响锚杆拉拔力的主要因素有锚杆的直径、长度、钢的抗拉强度、围岩类别以及锚杆与岩体间粘结材料的强度，所以在计算锚杆的允许拉拔力时应当考虑这些因素的综合影响。

    5结论

    本文根据对玛尔挡水电站地下厂房洞室群的三维非线性有限元分析，得出在近似地下工程进行三维有限元计算过程中遇到诸如上述常规性的问题时。其中主要结论和建议如下：

    首先，对玛尔挡地下厂房群的三维计算能考虑斜交于洞轴的较大主应力影响，用二维计算代替三维分析并不总能得出偏于安全的结论。

    其次，考虑到理论模型与数值精度之间存在的误差。在进行实际工程的三维计算时，单元格可不必划分得过多，采用的理论模型也可以不必太过复杂。