应用PLAXIS有限元程序进行石门坎水电站导流洞的开挖支护过程模拟分析

石门坎水电站导流洞的开挖支护过程模拟分析

黄细丁

（黄河勘测规划设计有限公司，河南，郑州，450003）

【摘要】导流洞的开挖支护过程模拟是一个三维空间问题。采用国际先进的PLAXIS程序，将模拟分析结果与导流洞实际开挖支护情况进行对比，能更好地把握导流洞施工过程中围岩应力分布及变形规律，以期更好的指导地下洞室工程的开挖和支护。

【关键词】开挖模拟、PLAXIS、有限元、导流洞、石门坎

0.引言

地下工程的建设，大多是在地下水位以下或者降水后的非饱和土层介质环境中进行的。非饱和土是工程实践中经常遇到的土，饱和土是非饱和土的特例，经典土力学理论不能完全解决非饱和土的力学问题。为了探索地下洞室开挖过程中，围岩应力大小、分布规律、变形规律及其对支护措施的反应，本文利用国际先进的PLAXIS程序对云南李仙江流域石门坎水电站导流洞进行了开挖支护的过程模拟，通过与工程类比法支护设计和实际开挖支护情况的比较分析，为地下洞室开挖支护工程设计提供可供参考之经验。

1.工程简介

石门坎水电站位于云南省李仙江干流崖羊山水电站的下游，工程开发任务以发电为主，枢纽由混凝土拱坝、引水式地面厂房组成，最大坝高108.00m，总库容1.95×108m3，总装机容量130MW。工程施工期利用布置于坝址右岸山体内的一条长595m的导流洞下泄洪水。导流洞最大埋深约156m，成洞断面8×10m（宽×高），最大开挖断面11×13m（宽×高）。导流洞大部分洞段岩层走向与洞向夹角较大，围岩总体稳定性较好， II~III类围岩约占总长度37％，III-Ⅳ类围岩约占总长度60％，构造带及其影响带Ⅳ-Ⅴ围岩约占总长度3％。大部分洞段位于地下水位以下，地下水位较高。导流洞地质剖面见图一。

图一 导流洞地质剖面

2.PLAXIS程序简介

PLAXIS程序是由荷兰开发的专门用于分析岩土工程变形和稳定性的大型有限元计算程序。岩土工程上的应用需要先进的本构模型来模拟土体的非线性和与时间相关的性质，该程序以Duncan—Zhang非线性弹性模型来模拟土体发生屈服后非线性变形的性状。在开挖支护模拟分析中，土体本身的模型是很重要的因素，但除此之外还要考虑许多岩土工程的因素，包括结构的模型和土与结构之间的相互作用等。PLAXIS程序本身具备了特殊的功能来解决这些复杂土工结构的诸多问题。其优异的特性如下：

2.1 几何模型图形的输入

PLAXIS中土层、结构、施工阶段、荷载和边界条件的输入都是基于便捷的图形方式。这个方式使得工程师根据实际状态建立详细而准确的模型更加得心应手。利用这个几何模型，PLAXIS可自动生成有限元网络。

2.2 网络的自动生成

PLAXIS具有非结构有限元网络的自动生成功能。它可以在整体和局部对网格进行优化，网格上可以包含上千个单元。

2.3 高级单元

高级单元主要用于对土体中应力的分布和破坏荷载的精确判断。PLAXIS中的六节点三角形单元、十五节点空间应变的三角形单元可以很好地进行轴对称分析，可进行梁单元、土与结构(如基础、桩、土工织物、挡土墙)的界面、土锚、土工网以及隧道的分析。它可根据

工程的多种情况选择与之相适应的边界条件。可运用两个独立的荷载体系：点荷载和线荷载。PLAXIS还提供了摩尔—库仑、软土徐变、土的硬化等屈服条件，可供计算时选择。

2.4 计算功能

程序可考虑变形分析、弹塑性计算、固结分析和修正的网形分析。弹塑性计算采用荷载增量法。其特殊的功能还在于能模拟施工的过程。通过启动和撤消单元群的方法可以模拟施工和开挖过程，这个方法可以估算实际的应力以及所引起的位移。在计算时，有限单元网格连续地被修正。本文正是通过启动和撤消单元群的方法，对导流洞开挖支护的施工过程进行模拟。

2.5 输出功能

PLAXIS的后处理使用几何图形及曲线显示结果。精确的位移、应力和结构内力可由输出表中得到。他的后处理功能非常强大、实用。

3.开挖模拟

3.1 模型的建立

利用PLAXIS程序进行地下洞室的开挖支护过程模拟分析，需要建立有限元计算模型和进行施工步骤的设计。根据导流洞地质情况，选择II－III类围岩的C-C断面和III类围岩的F-F断面进行开挖支护模拟分析。并对III类围岩的F-F断面进行了不支护和支护的比较。

3.1.1 有限元计算模型

导流洞沿线大部分洞段岩层走向与导流洞轴线向夹角较大，因此在开挖的局部范围内可使用单一的岩层进行模拟。由于岩层和隧道开挖断面的对称性，建立有限元计算模型时采用半边隧道模型，如图二。导流洞三维有限元计算模型如图三。

为了避免边界的影响，更好地反应导流洞开挖掌子面附近岩石的变形机理，模型范围为水平方向大于6倍开挖断面半洞宽度（取39m），洞顶以上为实际岩层厚度，洞底为隧洞底板以下10m。

洞底为3向约束固定边界，左右边界为2向约束边界，可产生垂直方向的位移。水力边界条件根据地下水情况施加，并据此生成初始水压力条件。

图二 导流洞的半边模型 图三 导流洞三维有限元计算模型

3.1.2 施工步骤的设计

导流洞的施工步骤按照实际可行的施工方法进行，即采用分部开挖，上部开挖高度7m，下部开挖高度5m，上部开挖掌子面距离下部开挖的掌子面10m，开挖循环进尺3m。

导流洞开挖步骤模型如图四（图中数字1、2、3、4表示开挖的顺序）。

图四 导流洞开挖步骤模型

3.2 材料的选择及参数

本次开挖支护过程模拟根据实际工程的需要选择理想弹塑性和莫尔—库仑屈服准则进行数值模拟，其需要输入的主要参数分别是：弹性模量，泊松比、摩擦角、粘聚力以及剪胀角。

在进行材料的选择时，PLAXIS程序对每种材料的力学行为提供了三种选择：排水条件下的力学行为、不排水条件下的力学行为以及无孔隙条件下的力学行为。导流洞的开挖本身