大型地下厂房洞室群围岩稳定分析

第27卷 增1

岩石力学与工程学报 V ol.27 Supp.1

2008年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June ，2008

收稿日期：2006–11–06；修回日期：2007–03–29

作者简介：陈秀铜(1976–)，男，1998年毕业于武汉水利电力大学水利水电建筑工程专业，现为博士研究生，主要从事水电工程建设方面的管理及研究工作。E-mail ：chenxiutong@

大型地下厂房洞室群围岩稳定分析

陈秀铜

1，2

，李 璐3

(1. 武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉 430072；2. 二滩水电开发有限责任公司，四川 成都 610021；

3. 西南石油大学，四川 成都 610500)

摘要：锦屏一级水电站最大坝高305 m ，为混凝土双曲拱坝，电站装机容量360×104 kW ，总库容77.6×108 m 3，调节库容49.1×108 m 3，是目前已建、在建和设计中的世界最高拱坝，其设计难度处于世界最高水平。针对地下厂区围岩类别较低、结构面发育、高地应力场以及洞室群规模巨大等情况，应用损伤力学理论，对地下洞室群的稳定性进行三维非线性弹塑性损伤有限元模拟计算，以判定地下厂房洞室群布置、施工开挖顺序、围岩支护参数的合理性，并对数值模拟结果与地质力学模型试验结果进行对比分析。结果表明，数值模拟和模型试验结果基本吻合，地下厂房洞室群围岩的整体稳定状态良好。

关键词：岩石力学；弹塑性损伤；地下洞室群；三维非线性有限元；地质力学模型试验

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)增1–2864–09

STABILITY ANALYSIS OF SURROUNDING ROCK OF LARGE

UNDERGROUND POWERHOUSE CA VERN GROUP

CHEN Xiutong 1，

2，LI Lu 3

(1. School of Water Resources and Hydropower ，Wuhan University ，Wuhan ，Hubei 430072，China ；

2. Ertan Hydropower Development Company Ltd .，Chengdu ，Sichuan 610021，China ；

3. Southwest Petroleum University ，Chengdu ，Sichuan 610500，China )

Abstract ：Jinping first stage hydropower station is a concrete double-curvature arch dam with a maximum height of 305 m. It has a total capacity of 360×104 kW ，the total reservoir capacity is 77.6×108 m 3，and the regulating capacity is 49.1×108 m 3. It is the highest in the world ，and its design complexity is at the world ′s top level. In response to the low surrounding rock classification ，developed structure planes ，high geostress and massive underground cavern group ，the 3D nonlinear elastoplastic damage finite element method is applied to analyze and compute the stability of underground cavern groups to make certain the rationality of the layout of underground cavern group ，the sequence of construction and support parameters of surrounding rock. By analyzing and comparing the numerical simulation results and geomechanical model experimental data ，it is indicated that the numerical simulation results agree well with the experimental data. The stability of the underground cavern group satisfies the requests of design.

Key words ：rock mechanics ；elastoplastic damage ；underground cavern group ；3D nonlinear finite elements ；geomechanical model experiment

1 引 言

锦屏一级水电站位于四川省盐源县、木里县

交界的雅砻江干流，是雅砻江水能资源最富集的中、下游河段五级水电开发中的第一级。水库正常蓄水位1 880 m ，总库容77.6×108 m 3，死水位

1 800 m ，调节库容49.1×108 m 3，为年调节水库。挡

第27卷增1 陈秀铜，等. 大型地下厂房洞室群围岩稳定分析 • 2865 •

水建筑物为混凝土双曲拱坝，坝顶高程1 885 m，建基面最低高程1 580 m，最大坝高305 m，电站装机容量360×104 kW。

锦屏一级水电站发电厂房采用地下厂房形式，布置在右岸山体内，厂房尺寸为276.99 m×

29.2 m×68.83 m。地下厂房洞室群主要包括厂房、主变室、尾水调压室、压力管道、尾水洞、母线洞、出线井等，其中主变室布置于厂房和尾水调压室之间，三大洞室平行布置，尾水调压室中心线和厂房顶拱中心线间距为145 m，主变室和厂房间岩柱厚度为45 m，从而形成以三大洞室为主体、纵横交错、上下分层的地下厂房洞室群。地下厂房洞室群布置如图1所示。

图1 地下厂房洞室群布置

Fig.1 Layout of underground cavern group

地下厂房洞室群布置在水平埋深约120 m、垂直埋深约160 m以上的大理岩夹绿片岩中，围岩类别以III1类为主，涉及岩性为T

2–3z

层杂色厚层角砾状大理岩夹绿片岩透镜体、厚层状大理岩、中～厚层状条带状大理岩夹少量绿片岩条带，岩体新鲜，完整～较完整，以厚层～块状结构为主，少量为薄～中厚层状结构，岩层产状N40°～60°E，NW ∠15°～35°。在副厂房及主变室、尾水调压室位置分布一条煌斑岩脉，N40°～70°E，SE∠65°～70°，厚1.5～2.0 m，新鲜，裂隙较发育，呈次块～镶嵌结构。f13断层带位于安装间中部，为V类围岩，其

上盘NW向裂隙密集带为IV

1

类围岩；主厂房、主变室、1#尾水调压室将穿过f14断层，f14断层带为IV1～V类围岩。

本文应用损伤力学理论，根据反演初始地应力场，按照确定的洞室群布局、洞室间距、施工开挖顺序和围岩支护方案，建立模拟全部6台机组段的三维非线性弹塑性损伤有限元模型[1～11]，对锦屏一级水电站地下厂房洞室群围岩整体稳定性进行分析。

2 弹塑性损伤本构模型

设单位体积岩体内含有M组概化优势节理裂

隙，其中任意第k组节理面的法向单位矢量为)

(k

n，平均体积密度为)(

v

k

ρ，统计特征尺寸为)(k a，根据Betti能量互易定理可求得裂隙岩体的等效弹

性–初始损伤柔度张量od-e

opkl

C：

=

+

=od

e

od

-e

opkl

opkl

opkl

C

C

C

+

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

+

+

kl

op

ol

pk

pl

ok E

v

E

v

δ

δ

δ

δ

δ

δ

0)

(

2

1

+

−

∑

=

)

(

)

(

)

(

)

(

1

)

(

1

)

(

1(

2[

{

13

k

l

k

k

k

p

k

o

k

v

k

M

k

k

v

n

n

n

n

C

G

a

E

ρ

+

+

−)()(

)

(

)

(

2

)

(

2

(

)

1(

5.0k

l

k

p

ko

k

l

k

o

kp

k

s

n

n

n

n

C

Gδ

δ

)]}

4)()()()(

)

(

)

(

)

(

)

(k

l

k

k

k

p

k

o

k

k

k

o

lp

k

k

k

p

lo

n

n

n

n

n

n

n

n−

+δ

δ (1)

式中：e

opkl

C为无损岩体的弹性柔度张量；

E，

v

分别为无损岩体的弹性模量和泊松比；

1

G，

2

G均

为节理裂纹形状系数。

由于地质构造的影响，岩体通常处于压剪应力状态，因此根据三维节理裂纹压剪闭合、扩展断裂机制，可得到节理岩体因节理裂纹扩展产生

的损伤演化柔度张量ad

opkl

C：

+

=∑

=

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

1

1

)

(

)

(

ad[

{

12k

l

k

k

k

p

k

k

m

k

k

k

v

opkl

n

n

n

n

B

a

E

Cρ

+

+

ko

k

l

k

p

kp

k

l

k

k n

n

n

n

Bδ

δ)()(

)

(

)

(

)

(

2

(

)]}

)

(

)

(

)

(

)

(

lo

k

k

k

p

lp

k

k

k

o

n

n

n

nδ

δ+(2) 在考虑岩体的初始损伤和损伤演化后，可得

到节理岩体等效弹性–损伤柔度张量e-d

opkl

C：

ad

od

e

e-d

opkl

opkl

opkl

opkl

C

C

C

C+

+

=(3)

将e-d

opkl

C求逆可得到节理岩体的等效弹性–损

伤刚度张量e-d

opkl

E：

1

e-d

e-d)

(−

=

opkl

opkl

C

E(4) 根据能量损伤理论，可得到弹性损伤刚度张

量定义的反映岩体各向异受损的损伤张量

opmn

ω：

e

e-d

klmn

opkl

opmn

opmn

C

E

I−

=

ω(5) 由于损伤演化是加载历史函数，将式(5)两边对虚拟时间尺度求导可得到节理岩体的能量损伤演化方程：

2(2)～(8)