非洲某水电站母线竖井围岩稳定分析

刘 寅，冯 飞，屈 洁

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

非洲某水电站母线竖井围岩稳定分析

刘 寅，冯 飞，屈 洁

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

结合非洲某工程实际，利用PHASE2软件，通过平面计算和轴对称计算，对此项目长达142.3 m的母线竖井进行围岩稳定分析。根据计算结果，确定不同类别围岩的支护形式，为竖井围岩稳定性评价和支护设计方案的选择提供了一种新的方法。关键词：母线竖井；围岩稳定；支护形式；有限元计算；PHASE2

0 前 言

随着水利水电工程的发展。作为一种典型的厂房结构，地下厂房已经日益普遍地出现在各类水电站之中。其中围岩稳定问题是地下洞室中最为突出的问题之一。关于地下厂房主变的布置，常规有2种形式，一种将主变布置在平行于主厂房的主变洞内，另一种则通过母线竖井将母线引出至地面，接入位于地面的主变。本文以非洲某水电站长达142.3 m的竖井为模型，通过有限元围岩稳定分析，确定其支护形式。

PHASE2是由加拿大Rocscience公司推出的岩土专用计算软件，该软件主要用于计算边坡及地下洞室开挖后岩土应力、应变和位移状况。软件特性：可分析平面应变问题和空间轴对称问题；材料的本构模型包括了弹性模型、Mohr-Coulomb模型[2]和Hoek-Brown模型[3-4]等备用的模型；可模拟多种具有不同力学特性的材料；可以进行不同开挖阶段的模拟[5]；可考虑均匀场力单独作用[6]、重力单独作用和二者同时作用下的地应力分布[7]；可以对开挖面喷混凝土、开挖面施加锚杆、锚索等支护加固措施的效果进行分析计算[8]。

1 计算思路

以往常用的平面计算只能在二维层面考虑问题，这种情况下，在空间上的问题得不到解决。例如，对于一个竖井，平面计算只能考虑竖井在某一高程、一个特定断面的结果，但是无法考虑此断面高程以上或以下范围内的影响，往往会造成计算结果偏小。

因此对于圆形的竖井，且四周围岩类别基本成水平分布，可以考虑用轴对称计算来模拟此类情况。轴对称计算是用二维模型来模拟一个关于某个轴圆周对称的三维模型。可以用较少的计算资源(二维单元)，模拟三维问题，考虑空间上整个结构的稳定性。此计算方法虽然在适用条件上不如平面模型广泛，但只要满足其边界条件，计算结果较平面模型更加趋于实际情况。

2 母线竖井概况

本工程母线竖井总长142.3 m，外径7 m，下部连接厂房内部母线室，上部连通主变平台，母线竖井部位地表堆积残坡积块石碎石土，结构松散，局部架空，厚度小于15 m，需清除；母线竖井自上而下穿过强风化石英黑云母片麻岩和石英岩、中风化石英岩以及微风化～新鲜的石英黑云母片麻岩，片麻理发育，片麻理产状因岩体揉皱而变化较大，主要有NE70°～83°SE∠20°～30°。母线竖井纵向需要穿越强风化、中风化和弱风化3类围岩。根据地质钻孔资料显示，在41.5 m以上为强风化；强风化与中风化之间，有厚度约为1 m的软弱夹层带；中风化厚度约为33 m，以下均为弱风化围岩。各类围岩的参数见表1。对于计算中各种支护的参数取值，见表2。

表1 围岩力学参数表

表2 支护参数表

初步设计对于强风化围岩(Ⅳ类围岩)采取布置长3 m、间距1.5 m、直径25 mm的锚杆支护，并设有100 mm厚挂网喷混凝土；对于中风化围岩(Ⅲ类围岩)采取布置长3 m、间距2 m、直径25 mm的锚杆支护，并设有100 mm厚挂网喷混凝土；对于弱风化围岩(Ⅱ类围岩)仅进行100 mm厚挂网喷混凝土。

3 平面模型计算结果

计算使用PHASE2软件进行平面计算，采用摩尔库伦非线性模型进行岩体参数的定义，计算模型四周采用法向约束。根据以往的计算经验，当计算模型四周的厚度达到一定程度，就不会对计算结果产生影响。因此模型在高度方向和长度方向上均取为5倍的竖井开挖直径，即为40 m。整个模型采用三角形单元划分，共有节点2 097个，单元4 354个，计算模型见图1。

为了计算开挖后围岩稳定性，需要考虑初始应力。在平面模型中，计算的初始应力由竖向地应力得到。根据围岩深度的不同，不同类别围岩计算时的初始应力场有所不同。

图1 母线竖井纵剖面图

根据围岩深度，围岩的竖向应力大小为：

(1)

式中：σv为竖向应力；γ为岩石容重；H为岩体深度。

水平向围岩压力为：

(2)

式中：σh为竖向应力；μ为岩石泊松比。

计算模型输入各类荷载和支护条件后，其计算结果分析如下：

(1) 强风化围岩在有支护的情况下，出现的最大压应力为0.76 MPa，远小于围岩的强度。竖井的最大位移值为0.45 mm，此数值很小。因此认为对于强风化围岩，其支护形式的选取能够满足要求，围岩在支护后稳定。

(2) 中风化围岩在有支护的情况下，出现的最大压应力为1.17 MPa，远小于围岩的强度。竖井的最大位移值为0.28 mm，此数值很小。因此认为对于中风化围岩，其支护形式的选取能够满足要求，围岩在支护后稳定。

(3) 弱风化围岩在有支护的情况下，出现的最大压应力为1.8 MPa，远小于围岩的强度。竖井的最大位移值为0.3 mm，此数值很小。因此认为对于弱风化围岩，其支护形式的选取能够满足要求，围岩在支护后稳定。

根据以上计算结果分析，围岩开挖后，无论是第1主应力还是第2主应力的数值都不大，且围岩的变形值很低，并且塑性区几乎不可见。因此认为支护设计基本合理，围岩在开挖后不存在失稳的危险。

4 轴对称模型计算结果

轴对称计算模型，可以用二维模型来模拟一个关于某个轴圆周对称的三维模型。这种计算比二维平面计算要更加准确，特别是能够反映在不同高度下围岩的稳定特性。

根据实际设计的母线竖井，建立轴对称模型，对称轴为母线竖井中心线。

计算的材料依然使用摩尔库伦模型，模型底部和两侧都使用法向约束。

通过计算结果可以看出，最大压应力为5 MPa，远小于围岩的强度。竖井的最大位移值为3 mm，此数值很小。因此认为对于强风化围岩，其支护形式的选取是能够满足要求的，围岩在支护后是稳定的。

对比平面计算结果，轴对称模型计算的结果相对较大，但总体数值比较接近，所得结论也是一致的。此类计算结果同围岩参数、竖井的深度和直径关系密切，可以看出，如果仅考虑平面计算结果，在一些地质条件较差、地应力较大的区域，也许会得到与实际情况相违背的结果。但通过轴对称计算，可以充分地反映出三维空间上围岩的稳定性，其计算结果要更加真实。

5 结 语

根据平面和轴对称模型的计算结果，对于围岩进行的支护设计是合适的，能够满足安全要求。此工程中，虽然2种计算所得结果相同，但可以看出轴对称模型计算结果较平面模型计算结果大。这种大是考虑了三维空间影响得到的结论，是合理的，更加趋向于真实的情况。

平面计算模型可以在任何条件下使用，其适应性较强。而对于轴对称模型，首先必须是圆形隧洞，并且在周边是对称的，一旦在计算范围内有其他洞室存在，就无法考虑这些因素，会使得计算的边界条件不准确，无法保证计算结果的真实性。

因此，在后续工程中，在满足轴对称模型计算边界条件要求的前提下，使用此种计算能够更加真实地反映实际情况。如果边界条件不能够满足，可以用平面模型作为基本计算，轴对称计算作为复核计算，在相互验证之后，找到最为经济和合理的支护设计，从而收到良好的经济效益。

[1] 华东水利学院.岩石力学[M].北京：水利电力出版社，1986.

[2] 韩瑞庚.地下工程新奥义[M].北京：科学出版社，1987.

[3] HOEK E，BROWN E T. Practical estimates of rack mass strength[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science，1998,38(08):1165-1186.

[4] R.K.Goel，Bhawani Singh.Rock mass classification [M].ELsevier Science Ltd，1999.

[5] 李杰,郭海燕,刘凌云,牟桂杰.丈八口隧道围岩稳定分析[J].岩土力学，2004(S2)： 537-541.[6] 王立忠,胡亚元,王百林,陈云敏.崩塌松散围岩隧道施工稳定性分析与监控[J].岩石力学与工程学报，2003,22(04)：79-85.[7] 何欣,曹怀园,刘永智,刘洁玉.Phase2软件在隧洞开挖围岩支护时机中的应用[J].西北水电，2015(03)：57-61.

[8] 温森,杨圣奇.基于Hoek-Brown准侧的隧洞围岩变形研究[J].岩土力学，2011,32(01)：70-76.

[9] 高凯,王林维，郭建宏.云南某水电站地下洞室围岩稳定性分析[J].西北水电，2015(05)：33-37.

[10] 石高峰.基于Phase2的地下厂房及尾调室开挖与支护设计[J].水力发电，2015(12)：63-67.

Analysis on Stability of Surrounding Rock of Basbar Shaft

LIU Yin, FENG Fei, QU Jie

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

In combination with the practice of one African project and by application of PHASE 2 software, stability of the surrounding rock of the 142.3 m long busbar shaft of the project is analyzed through plan calculation and axis symmetry calculation. According to the calculation results, supports modes for different surrounding rocks are finalized, this provides stability assessment and support design scheme of the shaft surrounding rock with a new method.Key words:basbar shaft; stability of surrounding rock; support mode; calculation by finite element method; PHASE2

1006—2610(2016)06—0094—03

2016-11-18

刘寅(1987- )，男，河北省秦皇岛市人，助理工程师，主要从事水利水电工程设计工作.

TV554;TU457

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.024