向家壩水電站地下廠房緩傾角層狀圍巖穩(wěn)定分析

1、 PAGE 1312 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2010年第29卷 第7期 樊啟祥，等. 向家壩水電站地下廠房緩傾角層狀圍巖穩(wěn)定分析 PAGE 1324 第29卷 第7期 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 Vol.29 No.72010年7月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July，2010收稿日期：20100115；修回日期：20100524作者簡介：樊啟祥(1963)，男，博士，1984年畢業(yè)于葛洲壩水電工程學(xué)院水利工程專業(yè)，現(xiàn)任教授級高級工程師，從事水電工程建設(shè)技術(shù)管理工作。E-mail：fan_qixiang向家壩水電電站地下下廠房緩緩

2、傾角層層狀圍巖巖穩(wěn)定分分析樊啟祥1，2，王義鋒鋒2(1. 清清華大學(xué)學(xué) 水沙沙科學(xué)與與水利水水電工程程國家重重點實驗驗室，北北京 10000844；2. 中國長長江三峽峽集團(tuán)公公司，湖湖北 宜宜昌 44330022)摘要：向家家壩水電電站地下下廠房跨跨度333.4 m、高高85.2 mm，為國國內(nèi)最大大跨度與與高度的的地下廠廠房。緩緩傾角巖巖層中大大跨度地地下洞室室群的開開挖致使使頂拱圍圍巖穩(wěn)定定問題突突出，為為典型結(jié)結(jié)構(gòu)面控控制型地地下巖體體工程。采采取三維維離散單單元法與與應(yīng)力位位移監(jiān)測測相結(jié)合合的研究究對策，對對圍巖穩(wěn)穩(wěn)定進(jìn)行行綜合分分析，實實施對穿穿錨索和和系統(tǒng)錨錨桿的加加固對策策，并

3、基基于監(jiān)測測成果說說明廠房房頂拱圍圍巖在開開挖加固固后的穩(wěn)穩(wěn)定性。研研究表明明，淺至至中等埋埋深結(jié)構(gòu)構(gòu)面控制制型圍巖巖穩(wěn)定問問題必須須加強(qiáng)工工程地質(zhì)質(zhì)分析，重重視巖體體的非連連續(xù)性和和各向異異性，宜宜采用非非連續(xù)介介質(zhì)力學(xué)學(xué)分析方方法進(jìn)行行分析，以以實施針針對性加加固措施施。關(guān)鍵詞：巖巖石力學(xué)學(xué)；層狀狀圍巖；監(jiān)測；穩(wěn)定性性；三維維離散元元法中圖分類號號：TUU 455 文獻(xiàn)標(biāo)標(biāo)識碼：A 文章編編號：11000069115(220100)0771300707Stabiilitty AAnallysiis ooF Laayerred Surrrouundiing Rocck MMasss off

4、Laargee Unnderrgrooundd Poowerrhouuse of Xiaangjjiabba HHydrropoowerr SttatiionFAN QQixiiangg1，2，WANNG YYifeeng22(1. SStatte KKey Labboraatorry oof HHydrroscciennce andd Ennginneerringg，Tsiinghhua Uniiverrsitty，Beiijinng 10000844，Chiina；2. Chhinaa Thhreee Goorgees CCorpporaatioon，Yicchanng，Hubbei 44

5、330022，Chiina)Abstrractt：Thee unnderrgrooundd poowerrhouuse of Xiaangjjiabba hhydrropoowerr sttatiion(33.4 m85.2 m) iis tthe larrgesst uundeergrrounnd ppoweerhoousee inn thhe wworlld. Exxcavvatiion of larrge-spaan uundeergrrounnd ccaveernss inn geentlly iincllineed sstraatumm leeadss too siigniificc

6、antt sttabiilitty pprobblemms oof ssurrrounndinng rrockk maass. Booth 3D disstinnct eleemennt mmethhod andd sttresss aand dissplaacemmentt moonittoriing aree ussed to stuudy thee suurroounddingg roock masss sstabbiliity，andd twwo-eendeed aanchhor andd syysteemattic bollts aree ussed to reiinfoorcee

7、thhe ssurrrounndinng rrockk maass. Thenn，bassed on thee moonittoriing ressultts，thee sttabiilitty oof ssurrrounndinng rrockk iss annalyyzedd. TThe ressearrch revvealls tthe strructturee-coontrrollled surrrouundiing rocck sstabbiliity proobleem of shaalloow oor mmidddle burriedd caaverrn，andd grreatt

8、 atttenntioon sshouuld be paiid tto ggeollogyy annalyysiss annd tthe surrveyy off roock masss ggeommetrric feaaturres andd diiscoontiinuiity. Itt iss appproopriiatee too usse tthe dissconntinnuouus mmediium mecchannicss meethood，andd thhen to impplemmentt thhe ccorrrespponddingg opptimmal reiinfoorc

9、eemennt mmeassurees. Key wwordds：rocck mmechhaniics；layyereed rrockk maass；monnitoorinng；staabillityy；3D disstinnct eleemennt mmethhod1 引 言向家壩水電電站地下下洞室群群規(guī)模宏宏大，結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜雜，主廠廠房跨度度為333.4 m，高高為855.2 m，為為國內(nèi)最最大跨度度與高度度的地下下廠房。主主要洞室室的上覆覆巖層厚厚度為11002255 m，由由于其大大跨度特特征以及及自重應(yīng)應(yīng)力為主主的初始始應(yīng)力條條件，屬屬淺至中中等埋深深巖體工工程。緩緩傾角巖巖層中大大跨

10、度地地下洞室室開挖致致使圍巖巖穩(wěn)定問問題突出出，為典典型結(jié)構(gòu)構(gòu)面控制制型巖體體工程1，22。巖體地下工工程圍巖巖穩(wěn)定問問題歸結(jié)結(jié)為巖體體對開挖挖釋放荷響即使應(yīng)體現(xiàn)松松弛，由由于受巖巖體特性性和開挖挖結(jié)構(gòu)形形式的影影響，開開挖變形形特征可可能存在在非對稱稱性等差差異現(xiàn)象象。在一一些部位位受其結(jié)結(jié)構(gòu)面影影響，可可能改變變應(yīng)力場場的相對對關(guān)系，從從而表現(xiàn)現(xiàn)出不同同的穩(wěn)定定特征和和潛在破破壞方式式3，44。向家壩水電電站淺埋埋巖體的的結(jié)構(gòu)面面效應(yīng)、自自重應(yīng)力力場初始始條件等等地質(zhì)因因素的作作用，在在很大程程度上決決定了巖巖體的成成洞條件件和圍巖巖穩(wěn)定性性。緩傾傾角巖層層中大跨跨度地下下洞室開開挖對頂頂

11、拱圍巖巖穩(wěn)定造造成了很很大影響響，其中中巖體所所固有的的不連續(xù)續(xù)性和各各向異性性特征2成成為圍巖巖穩(wěn)定分分析的關(guān)關(guān)鍵。相應(yīng)地，設(shè)設(shè)計方案案的合理理性除了了體現(xiàn)工工程的常常規(guī)要求求外，還還應(yīng)在最最大程度度上減弱弱這種緩緩傾層面面的不良良影響；將合理理的、有有針對性性的支護(hù)護(hù)措施作作為一種種改善手手段；同同時還應(yīng)應(yīng)基于監(jiān)監(jiān)測成果果與計算算分析成成果的一一致性來來揭示圍圍巖的真真實穩(wěn)定定程度。2 向家家壩水電電站地下下廠房工工程概況況2.1工工程概況況向家壩水電電站地下下廠房(見圖11)采用用中部式式布置，安安裝4臺臺7500 MWW機(jī)組，主主廠房總總長2555.44 m，吊車梁以上寬度33.4 m

12、，以下寬度31.0 m，高度85.2 m。2#2#尾水洞電纜豎井排沙洞1#尾水洞主變室母線洞主變運輸洞進(jìn)廠交通洞引水洞廠房4#3#2#1#電梯及排煙豎井圖1 向向家壩水水電站地地下洞室室群Fig.11 SScheemattic diaagraam oof tthe undderggrouund powwerhhousse oof Xianggjiaaba Hyddroppoweer SStattionn2.2地地質(zhì)條件件地下廠房區(qū)區(qū)山體雄雄厚，地地形整齊齊，圍巖巖涉及的的地層主主要為亞亞組，其其中主廠廠房頂拱拱巖層一一般呈厚厚巨厚厚層狀，各各巖性段段的頂部部有薄中厚層層狀巖石石分布，巖巖體呈微

13、微風(fēng)化至至新鮮狀狀。絕大大多數(shù)為為堅硬巖巖石，巖巖體完整整，III，IIII類圍巖巖分別占占71.4%和和19.7%，個個別地段段受軟弱弱夾層、層層面影響響，圍巖巖類型較較低，為為IV，VV類巖體體。廠區(qū)位于立立煤灣膝膝狀撓曲曲的SWW翼，地地層產(chǎn)狀狀較平緩緩，巖層層傾角為為15200，地下下廠房的的圍巖產(chǎn)產(chǎn)狀較平平緩，巖巖體受地地質(zhì)構(gòu)造造破壞的的程度較較低，無無較大斷斷層發(fā)育育，主要要結(jié)構(gòu)面面為軟弱弱夾層、層層面和節(jié)節(jié)理裂隙隙。在廠廠房洞出出露的22級軟弱弱夾層有有JC222，JJC23和JJC24，以以視傾角角8155沿廠房房軸線向側(cè)逐高高(見圖圖2)。此此外，呈呈斷續(xù)分分布的3鏡巖出洞也

14、響穩(wěn)圖2 大大跨度地地下廠房房及圍巖巖層面特特征照片片F(xiàn)ig.22 LLayeeredd surrrounndinng rrockkmasss off largge-sspann underrgrooundd poweerhoousee洞室區(qū)節(jié)理理裂隙主主要有NNEE，NNWW和和NW向向3組，其其優(yōu)勢產(chǎn)產(chǎn)狀分別別為766/NWW58，2866/NEE64和3117/NEE47?；辛褳闉榘l(fā)育，而而新鮮巖巖體中僅僅局部偶偶有分布布。地下廠房區(qū)區(qū)實測地地應(yīng)力實實測最大大主應(yīng)力力值為88.212.2 MMPa，屬屬自重為為主的中中低量級級水平。2.3開開挖支護(hù)護(hù)情況右岸主洞挖0年開主設(shè)為層圖開27

15、月I挖并該完圍系護(hù)圖3 考考慮節(jié)理理的地下下廠房巖巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)特征及及開挖順順序示意意圖Fig.33 BBlocck ddisttribbutiion of surrrouundiing rocck masss aafteer addinng jjoinnt nnetwworkk annd tthe undderggrouund excavvatiion seqquennce由于自重條條件下的的大跨度度層狀圍圍巖勢必必拱的的形成“梁效應(yīng)應(yīng)”，從可得圍生生較大的的不對稱稱型的大大變形，因因此，工工程實際際中實施施了針對對性的對對穿錨索索。此外外，圍巖巖支護(hù)以以噴錨支支護(hù)為主主，局部部加強(qiáng)支支護(hù)為輔

16、輔，并與與隨機(jī)支支護(hù)相結(jié)結(jié)合。支支護(hù)過程程中按照照地質(zhì)圍圍巖分類類不同，根根據(jù)開挖挖揭露情情況進(jìn)行行動態(tài)調(diào)調(diào)整，采采用了不不同的支支護(hù)參數(shù)數(shù)?？傮w體支護(hù)進(jìn)進(jìn)程為隨隨機(jī)支護(hù)護(hù)緊跟開開挖面，滯滯后100155 m實實施系統(tǒng)統(tǒng)錨桿，然然后施工工預(yù)應(yīng)力力錨索。2.4安安全監(jiān)測測為了對頂拱拱圍巖穩(wěn)穩(wěn)定性提提供評價價指標(biāo)，地地下廠房房內(nèi)共布布置了55個監(jiān)測測斷面，包包括收斂斂監(jiān)測和和圍巖變變形監(jiān)測測，四點點式位移移計取得得了較好好的監(jiān)測測成果。錨錨桿應(yīng)力力監(jiān)測布布置7個個錨桿應(yīng)應(yīng)力計監(jiān)監(jiān)測斷面面。錨索索測力計計監(jiān)測布布設(shè)4個個監(jiān)測斷斷面。3 地下下廠房圍圍巖穩(wěn)定定分析對對策3.1層層狀圍巖巖的地質(zhì)質(zhì)屬性向

17、家壩地下下廠房區(qū)區(qū)地應(yīng)力力最大主主應(yīng)力與與巖石單單軸抗壓壓強(qiáng)度的的比值范范圍為00.0770.20，地地應(yīng)力仍仍屬于中中等偏低低的范圍圍，因此此，巖體體對開挖挖的應(yīng)力力響應(yīng)仍仍以地質(zhì)質(zhì)結(jié)構(gòu)面面控制型型為主。重視地質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)面對對圍巖穩(wěn)穩(wěn)定性的的影響，考考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)面的作作用是巖巖石力學(xué)學(xué)分析的的一個基基本思想想4，尤其其是對于于淺至中中等埋深深的巖體體工程，大大跨度的的洞室開開挖會造造成很大大的應(yīng)力力松弛，因因此通過過現(xiàn)場地地質(zhì)勘察察，將工工程巖體體的結(jié)構(gòu)構(gòu)面分布布規(guī)律與與力學(xué)特特性間距距直接反反映于數(shù)數(shù)值計算算中，是是合理分分析的前前提。層狀巖體在在經(jīng)歷了了成巖建建造、構(gòu)構(gòu)造改造造、表生生演化以

18、以后，層層面幾何何特征存存在統(tǒng)計計意義上上的優(yōu)勢勢性，因因此巖體體的各向向異性特特征不可可忽略，常常用的方方法為間間接的等等效連續(xù)續(xù)方法(ECAA)558和直接接離散的的分析方方法88。3.2等等效連續(xù)續(xù)分析等效連續(xù)方方法是將將本質(zhì)上上為非連連續(xù)、各各向異性性巖體通通過等效效連續(xù)途途徑，應(yīng)應(yīng)用各向向異性本本構(gòu)及等等效宏觀觀巖體力力學(xué)參數(shù)數(shù)來間接接反映其其屬性： (1) (2)式中：E11，E2，E3為彈性性模量；32，31，21為泊泊松比；G23，G31，G12為剪剪切模量量。以上上參數(shù)均均為正軸軸復(fù)合工工程常數(shù)數(shù)。對于含一組組結(jié)構(gòu)面面的層狀狀巖體可可以應(yīng)用用簡化的的疊加原原理來估估算宏觀觀巖

19、體力力學(xué)參數(shù)數(shù)8，如式式(1)，(22)列出出的正交交各向異異性巖體體的本構(gòu)構(gòu)關(guān)系和和彈性系系數(shù)矩陣陣，其中中，由于于層狀巖巖體的特特殊性，其其顯然具具有橫觀觀各向同同性的性性質(zhì)99。進(jìn)一要(所柔量行估估算，ii方向的的巖體彈彈性模量量9為 (3)式中：為巖巖石的彈彈性模量量，為i方向節(jié)節(jié)理的平平均間距距，為結(jié)結(jié)構(gòu)面的的法向剛剛度。 同同時，存存在： (44)式中：為ii，j方向的的巖體切切向模量量；為巖巖石的切切向模量量；為j方向節(jié)節(jié)理的平平均間距距；，分別為為結(jié)構(gòu)面面i，j方向的的切向剛剛度。對于復(fù)雜結(jié)結(jié)構(gòu)巖體體，經(jīng)驗驗方法如如現(xiàn)場量量測巖體體不同方方向的塊塊度，或或者基于于解析方方法的疊

20、疊加原理理都有很很大的局局限性，若若要真實實地考慮慮節(jié)理的的交叉效效應(yīng)或非非線性特特性，數(shù)數(shù)值分析析方法特特別是三三維離散散單元法法數(shù)值估估算成為為了一種種等效估估算的有有效途徑徑。3.3三三維離散散單元法法分析三維離散單單元法除除了可以以作為巖巖體力學(xué)學(xué)等效性性質(zhì)估算算的橋梁梁外，實實際上更更可以進(jìn)進(jìn)行直接接的非連連續(xù)力學(xué)學(xué)模擬。此此時，巖巖體具有有更接近近于客觀觀實際的的復(fù)雜結(jié)結(jié)構(gòu)，并并且所采采用的本本構(gòu)關(guān)系系也異常常簡單。其其中的關(guān)關(guān)鍵只在在于節(jié)理理網(wǎng)絡(luò)的的生成。圖3為采用用3DEEC直接接法生成成的含層層面與節(jié)節(jié)理的離離模11所的嚴(yán)從從現(xiàn)場地地質(zhì)調(diào)查查獲得的的統(tǒng)計分分布特征征。由于于軟

21、弱夾夾層性狀狀變化不不大，連連通率好好，成為為了最主主要的控控制性結(jié)結(jié)構(gòu)面。4 廠房房頂拱圍圍巖穩(wěn)定定的數(shù)值值模擬4.1廠廠房頂拱拱開挖支支護(hù)情況況向家壩右岸岸地下主主廠房第第I層頂頂拱開挖挖分3個個序次分分部進(jìn)行行，即“中導(dǎo)洞洞開挖、中中導(dǎo)洞兩兩側(cè)擴(kuò)挖挖及兩側(cè)側(cè)邊墻擴(kuò)擴(kuò)挖”，開挖挖設(shè)計輪輪廓線采采用光面面爆破。如圖4所示示，廠房房第一層層由3段段圓弧組組成，高高度111.0 m，開開挖總面面積約3301.17 m2。在220077年7 306.12306.12 m299.12 m295.12 m3.709.008.003.709.0011.00圖4 第第I層開開挖順序序(單位位：m)Fig.

22、44 EExcaavattionn seequeencee att thhe ffirsst llayeer oof ppoweerhoousee(unitt：m)月完成開挖挖支護(hù)，目目前已取取得了66個月以以上的監(jiān)監(jiān)測成果果，具備備了分析析頂拱圍圍巖穩(wěn)定定性的條條件。為為了實現(xiàn)現(xiàn)動態(tài)反反饋設(shè)計計，顯然然有必要要結(jié)合數(shù)數(shù)值計算算與監(jiān)測測分析對對圍巖穩(wěn)穩(wěn)定性進(jìn)進(jìn)行評價價。4.2計計算參數(shù)數(shù)針對非連續(xù)續(xù)和各向向異性的的層狀圍圍巖穩(wěn)定定性分析析的計算算方法可可以有22種，即即作均化化處理的的等效連連續(xù)計算算和直接接離散計計算。前前者計算算目標(biāo)以以整體把把握變形形特征為為主，而而后者更更集中于于從機(jī)制

23、制上解釋釋監(jiān)測結(jié)結(jié)果，并并且對局局部圍巖巖穩(wěn)定特特征進(jìn)行行評價。因因此，22種計算算類別都都被本文文所采用用，相應(yīng)應(yīng)地，涉涉及了以以下的參參數(shù)取值值工作。(1) 通通常地，提提及巖體體宏觀力力學(xué)參數(shù)數(shù)的概念念，本質(zhì)質(zhì)上就是是將具有有非連續(xù)續(xù)特征的的巖體視視為等效效連續(xù)體體來加以以考慮。由于層狀巖體可近似為橫觀各向同性，力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。其中，順層面走向的面為各向同性面，而任意垂直于層面的面為對稱面。表1 層層狀巖體體等效連連續(xù)力學(xué)學(xué)參數(shù)eiltoiupsoeac rerof trranssverrselly iisottroppic rocck mmasss E1/GPPaE2/GPPa

24、E3/GPPa121323G12/GGPaG13/GGPaG23/GGPa0.250.350.3(2) 對對于部分分結(jié)構(gòu)面面直接模模擬后的的宏觀巖巖體力學(xué)學(xué)參數(shù)而而言，主主要取決決于巖體體包含的的結(jié)構(gòu)面面級別。即即將IVV級結(jié)構(gòu)構(gòu)面作為為單獨地地質(zhì)單元元模擬時時，巖體體的參數(shù)數(shù)為巖塊塊與V級級結(jié)構(gòu)面面組合的的等效參參數(shù)；而而僅將IIII級級結(jié)構(gòu)面面單獨模模擬時，巖巖體的參參數(shù)是巖巖塊與IIV級、VV級結(jié)構(gòu)構(gòu)面組合合的等效效參數(shù)。模型中層面與節(jié)理組均作為獨立的地質(zhì)單元單獨模擬1，此時3DEC中Block取巖塊參數(shù)，而結(jié)構(gòu)面計算參數(shù)見表2。表2 結(jié)結(jié)構(gòu)面參參數(shù)取值值表Tablee 2 Paaram

25、meteers of dissconntinnuittiess節(jié)理Kn /(MPaam1)Ks /(MPaam1)c/MPa/()層面 1 2000 40000.0316.7NEE，NNWW向向節(jié)理組組20 000012 00000.1535.0NW向節(jié)理理組30 000020 00000.1638.04.3等等效連續(xù)續(xù)與離散散元分析析的位移移結(jié)果(1) 采采用等效效連續(xù)橫橫觀各向向同性分分析的計計算位移移結(jié)果如如圖5所所示，由由于層狀狀巖體的的等效連連續(xù)體的的主軸33方向與與鉛直法法向有近近15的夾角角，因此此，廠房房第I層層開挖后后頂拱的的位移泡泡有向下下游側(cè)傾傾斜的趨趨勢。上上游拱肩肩、

26、頂拱拱中心線線、下游游拱肩多多點位移移計淺部部監(jiān)測點點處的計計算位移移分別達(dá)達(dá)到7，14，10 mm。上上游拱肩肩、頂拱拱中心線線、下游游拱肩相相對于排排水廊道道的計算算相對位位移值分分別達(dá)到到2，6，6 mmm。33.4 m多點33.4 m多點位移計位移/m圖5 層層狀巖體體等效連連續(xù)各向向異性計計算位移移Fig.55 IIsocchroomattic zonne oof ddispplaccemeentss inn thhe eequiivallentt contiinuuum traansvversselyy issotrropiic mmodeel aafteer excavvatii

27、on(2) 采采用三維維離散單單元法33DECC的計算算位移結(jié)結(jié)果如圖圖6所示示，盡管管巖塊為為各向同同性，但但是受結(jié)結(jié)構(gòu)面的的影響，位位移泡同同樣有向向下游側(cè)側(cè)傾斜的的趨勢，這這是更為現(xiàn)況體控用別，由由于受控控制性層層面的影影響，在在頂拱位位置可能能出現(xiàn)位位移較大大的塊體體松弛區(qū)區(qū)域，如如圖6所所示在頂頂拱中心心線上游游側(cè)有最最大位移移為177.188 mmm的塊體體?？傮w體上，除除個別塊塊體位移移較大外外，上游游拱肩、頂頂拱中心心線、下下游拱肩肩多點位位移計淺淺部監(jiān)測測點處的的計算位位移分別別達(dá)到77，15，10 mm。上上游拱肩肩、頂拱拱中心線線、下游游拱肩相相對于排排水廊道道的計算算相

28、對位位移值分分別達(dá)到到2，6，6 mmm。綜上可見，采采用離散散元的計計算結(jié)果果與等效效連續(xù)的的計算結(jié)結(jié)果在整整體上吻吻合較好好，印證證了巖體體等效連連續(xù)的本本構(gòu)及所所采用參參數(shù)的合合理性。與與等效連連續(xù)只能能33.4 m位移/m多點位33.4 m位移/m多點位移計圖6 三三維離散散單元33DECC計算位位移Fig.66 IIsocchroomattic zonne oof ddispplaccemeent in thee 3DD diistiinctt elemeent moddel aftter exccavaatioon均化反映位位移總體體特征所所不同地地，離散散元的計計算結(jié)果果進(jìn)一步步

29、說明了了軟弱夾夾層和層層面的作作用，即即節(jié)理切切割可以以形成組組合滑面面傾向洞洞內(nèi)的塊塊體分布布，并可可能表現(xiàn)現(xiàn)出松弛弛等不連連續(xù)位移移特征(如頂拱拱中心線線上游側(cè)側(cè)的塊體體松弛)，進(jìn)而而可能造造成局部部的錨桿桿監(jiān)測應(yīng)應(yīng)力超限限等現(xiàn)象象，因此此，有必必要實施施隨機(jī)支支護(hù)，保保障個別別松弛塊塊體在自自重作用用下具備備較大的的穩(wěn)定系系數(shù)。4.4等等效連續(xù)續(xù)與離散散元分析析的應(yīng)力力結(jié)果計算應(yīng)力結(jié)結(jié)果表明明，洞周周二次應(yīng)應(yīng)力場中中、頂拱拱最大主主應(yīng)力近近水平，與與NWWW，NNNW組和和NEEE組陡傾傾結(jié)構(gòu)面面的交角角大，因因而陡傾傾結(jié)構(gòu)面面上具有有較大正正應(yīng)力，塊塊體一般般有較好好的穩(wěn)定定性。由于廠

30、房頂頂拱區(qū)內(nèi)內(nèi)除層狀狀結(jié)構(gòu)面面外無貫貫穿性結(jié)結(jié)構(gòu)面發(fā)發(fā)育，大大塊體由由于巖橋橋的作用用綜合強(qiáng)強(qiáng)度參數(shù)數(shù)較高，穩(wěn)穩(wěn)定性一一般較好好。然而而，由于于巖層平平緩，層層狀結(jié)構(gòu)構(gòu)面對洞洞頂?shù)姆€(wěn)穩(wěn)定影響響仍然較較大，所所以不穩(wěn)穩(wěn)定塊體體主要分分布在洞洞頂，表表現(xiàn)為洞洞頂小規(guī)規(guī)模的掉掉塊以及及塊體松松弛，要要增加隨隨機(jī)錨桿桿進(jìn)行補(bǔ)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)護(hù)。在等效連續(xù)續(xù)模型中中，錨桿桿的應(yīng)力力沒有顯顯著變化化，多在在10 MPaa以下。離離散元模模型得出出的錨桿桿應(yīng)力同同樣較小小，多在在11.2 MMPa以以下，但但其能夠夠較好地地反映優(yōu)優(yōu)勢節(jié)理理組切割割形成塊塊體的部部位，以以及可能能出現(xiàn)的的錨桿高高應(yīng)力部部位。如如圖7

31、所所示，在在頂拱受受層面影影響的塊塊體松弛弛區(qū)域，錨錨桿應(yīng)力力可能劇劇增至于于11001550 MMPa，說明了錨桿監(jiān)測可能會出現(xiàn)應(yīng)力超限的現(xiàn)象，指示局部補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)區(qū)域。4.5基基于計算算分析成成果的支支護(hù)方案案選擇由離散元計計算結(jié)果果表明向向家壩右右岸地下下廠房區(qū)區(qū)地層產(chǎn)產(chǎn)狀較平平緩，無無較大斷斷層發(fā)育育，針對對層面的的對穿錨錨索支護(hù)護(hù)和針對對淺層塊塊體的系系統(tǒng)支護(hù)護(hù)成為了了有效的的組合方方案。排水廊道一排一洞排水廊道排水廊道一排一洞排水廊道一排二洞排水廊道二排一洞錨桿高應(yīng)力區(qū)層面錨固應(yīng)力/MPa圖7 三三維離散散單元33DECC計算錨錨固應(yīng)力力Fig.77 DDisttribbutiion

32、of axiaal bboltt forcces in 3DEEC mmodeel實際中遵循循錨噴支支護(hù)為主主、鋼筋筋混凝土土襯砌為為輔，以以系統(tǒng)支支護(hù)為主主、局部部加強(qiáng)支支護(hù)為輔輔，并與與隨機(jī)支支護(hù)相結(jié)結(jié)合的設(shè)設(shè)計原則則122，133。經(jīng)經(jīng)多方案案比較選選擇的支支護(hù)方案案為：(1) 頂頂拱：錨錨索，噸噸位：TT = 1 7750 kN，L = 30 m 4.5 m4.5 m；錨桿， 32mm1.5 m1.5 m，L = 5，8 m相間布置；噴鋼纖維混凝土，厚度 = 150 mm。(2) 邊邊墻：錨錨索，上上游邊墻墻高程2241.00 m以上上，T = 1 7750 kN，L = 30 m4.

33、5 m4.5 m，下游邊墻高程268.74 m以上，對穿錨索T = 2 000 kN，L = 40 m ，8 m相間布置；噴鋼纖維混凝土，厚度 = 150 mm。模擬了結(jié)構(gòu)構(gòu)單元的的計算成成果表明明，如圖圖4所示示的3個個序次開開挖過程程中，序次開開挖對頂頂拱中心心線部位變響最?。粌蓚?cè)拱肩部位圍巖變形僅受序次開挖影響。此外，無支支護(hù)與系系統(tǒng)支護(hù)護(hù)的計算算結(jié)果說說明在主主廠房頂頂拱布置置適量的的預(yù)應(yīng)力力錨索，可可以顯著著地增加加層面的的摩阻力力，從而而使得單單層巖體體的“梁效應(yīng)應(yīng)”應(yīng)力狀狀態(tài)在錨錨索的作作用下形形成“組合梁梁”的效果果，最終終改善頂頂拱巖體體應(yīng)力條條件并提提高頂拱拱圍巖的的穩(wěn)定性

34、性。實踐踐表明，第第一期開開挖后主主廠房頂頂拱完好好，頂拱拱圍巖的的整體穩(wěn)穩(wěn)定性是是有保證證的。拱模果測比5.1位位移監(jiān)測測成果監(jiān)測結(jié)果為為圍巖穩(wěn)穩(wěn)定性提提供了最最為直接接的評價價指標(biāo)，現(xiàn)現(xiàn)階段的的位移監(jiān)監(jiān)測數(shù)據(jù)據(jù)說明在在開挖及及支護(hù)過過后位移移迅速趨趨緩，變變形逐漸漸收斂，頂頂拱圍巖巖已趨于于穩(wěn)定狀狀態(tài)，加加固措施施已發(fā)揮揮明顯作作用。多點位移計計監(jiān)測得得到的圍圍巖位移移特征如如圖8所所示，可可見上游游拱肩、頂頂拱中心心線、下下游拱肩肩相對于于排水廊廊道的實實測位移移值分別別達(dá)到22.055，5.882，6.550 mmm。盡盡管實際際監(jiān)測只只能反映映出頂拱拱淺部的的相對位位圖8 多多點位移

35、移計監(jiān)測測得到的的圍巖位位移特征征(單位位：m)Fig.88 DDispplaccemeent disstriibuttionns oof uundeergrrounnd ppoweerhoousee surroounddingg roockmmasss by mullti-poiint dissplaacemmentt meterr moonittoriing(uniit：mm)移，但是得得出的結(jié)結(jié)果與圖圖5，66的數(shù)值值計算結(jié)結(jié)果(22，6，6 mmm)總總體吻合合較好。僅僅下游拱拱肩監(jiān)測測位移較較計算所所得的66 mmm稍大，也也是因為為淺層結(jié)結(jié)構(gòu)面的的影響所所致。總之，數(shù)值值分析與與實

36、際監(jiān)監(jiān)測體現(xiàn)現(xiàn)出了良良好的一一致性規(guī)規(guī)律，共共同說明明頂拱圍圍巖變形形在表層層最大，且且隨深度度增加而而逐漸減減弱，同同時，下下游拱肩肩處的位位移大于于上游拱拱肩處。這這些都是是層狀圍圍巖的非非連續(xù)性性和各向異性造造成的變變形差異異結(jié)果。5.2應(yīng)應(yīng)力監(jiān)測測成果除了位移監(jiān)監(jiān)測結(jié)果果外，錨錨桿應(yīng)力力監(jiān)測成成果同樣樣說明了了圍巖的的穩(wěn)定特特征。如如圖9所所示，廠廠房中部部典型監(jiān)監(jiān)測斷面面頂拱中中心線部部位的錨錨桿應(yīng)力力相對較較大，且且錨桿應(yīng)應(yīng)力最大大點位于于錨桿尾尾端距圍圍巖表面面1.55 m處處，最大大為1445.663 MPaa，已接接近錨桿桿應(yīng)力設(shè)設(shè)計警界界值1 a其位應(yīng)小在10 MPaa以下

37、。圖9 錨錨桿應(yīng)力力計監(jiān)測測得到的的圍巖應(yīng)應(yīng)力特征征(單位位：mmm)Fig.99 SStreess disstriibuttionns oof uundeergrrounnd ppoweerhoousee odgomsyo rserutm在三維離散散單元模模型中，洞洞頂塊體體松弛部部位的錨錨桿應(yīng)力力是可能能發(fā)生劇劇增現(xiàn)象象的，如如圖7所所示頂拱拱圍巖淺淺層出現(xiàn)現(xiàn)了最大大的錨桿桿應(yīng)力。可可見，基基于非連連續(xù)介質(zhì)質(zhì)力學(xué)的的分析方方法較等等效連續(xù)續(xù)方法更更能得出出與實際際相符的的規(guī)律性性認(rèn)識，是是巖石工工程問題題分析的的重要手手段。5.3層層狀圍巖巖穩(wěn)定評評價事實上，基基于數(shù)值值計算與與監(jiān)測成成果

38、的綜綜合分析析為圍巖巖穩(wěn)定評評價奠定定了堅實實基礎(chǔ)，其其中數(shù)值值計算對對圍巖變變形、破破壞特性性提供了了認(rèn)識基基礎(chǔ)，而而監(jiān)測成成果則給給出了實實際的評評價標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。分析工作表表明，采采用針對對層狀圍圍巖的頂頂拱對穿穿錨索之之后，能能夠有效效地限制制頂拱圍圍巖的松松弛、破破壞區(qū)發(fā)發(fā)展，可可以減少少圍巖應(yīng)應(yīng)力擾動動，提高高洞室圍圍巖穩(wěn)定定特性?；跓o支支護(hù)和支支護(hù)2種種不同方方案的數(shù)數(shù)值分析析成果可可以說明明目前采采用的錨錨固支護(hù)護(hù)方案比比較合理理，支護(hù)護(hù)效果也也十分明明顯。另一方面，監(jiān)監(jiān)測成果果還進(jìn)一一步說明明在實施施了對穿穿錨索和和系統(tǒng)錨錨桿支護(hù)護(hù)的前提提下，還還應(yīng)針對對頂拱部部位的松松弛塊體

39、體，根據(jù)據(jù)錨桿應(yīng)應(yīng)力或者者多點位位移計監(jiān)監(jiān)測的異異?，F(xiàn)象象，適時時進(jìn)行補(bǔ)補(bǔ)強(qiáng)加固固。在針對松弛弛塊體進(jìn)進(jìn)行了隨隨機(jī)錨桿桿的加固固后，不不同監(jiān)測測點的錨錨桿應(yīng)力力計應(yīng)力力時間曲曲線如圖圖10所所示，在在應(yīng)力劇劇增之后后，錨桿桿應(yīng)力變變化逐漸漸趨緩，呈呈現(xiàn)日趨趨穩(wěn)定態(tài)態(tài)勢。ASAS35AS36AS37AS38時間/年月日200708012007071520070701200706152007060120070515200705012007041520070401錨桿應(yīng)力/MPa180150120906030030圖10 錨桿應(yīng)應(yīng)力時間曲曲線Fig.110 Timme-hhisttoryy cuur

40、vees oof mmoniitorringg axiial boltt forcces除了錨桿應(yīng)應(yīng)力監(jiān)測測指示局局部塊體體產(chǎn)生較較大的松松弛變形形外，錨錨索荷載載變化不不大，錨錨索受力力工作狀狀態(tài)正常常，說明明了頂拱拱圍巖整整體穩(wěn)定定性良好好。不同同監(jiān)測點索力特圖所錨載均呈緩緩慢減小小變化趨趨勢，平平均荷載載為6.k與荷比荷失均.%前錨索正正處于應(yīng)應(yīng)力調(diào)整整時期，張張拉后初初期荷載載呈緩慢慢減小變變化趨勢勢屬正常?，F(xiàn)象。DPDP31DP32DP33DP34時間/年月日200707212007071420070707200706302007062320070616200706092007060

41、2荷載/kN1 7501 7001 6501 6001 5501 5001 450圖11 錨索預(yù)預(yù)應(yīng)力損損失特征征Fig.111 Preestrresss loossiing chaaraccterristtic of preestrresssed cabble 綜合位移應(yīng)應(yīng)力監(jiān)測測成果可可見，圍圍壓變形形趨于收收斂，錨錨桿應(yīng)力力總體變變化較小小，錨索索受力狀狀態(tài)完全全正常，因因此，共共同判定定頂拱圍圍巖穩(wěn)定定。6 結(jié) 論(1) 巖巖體是經(jīng)經(jīng)歷過變變形，遭遭受過破破壞，并并賦存于于一定地地質(zhì)環(huán)境境中的地地質(zhì)體，通通常表現(xiàn)現(xiàn)出固有有的非連連續(xù)性、各各向異性性。層狀狀巖體作作為特殊殊結(jié)構(gòu)巖巖體，各

42、各向異性性尤為突突出，實實際工程程中應(yīng)查查明結(jié)構(gòu)構(gòu)面的空空間特征征，重視視巖體的的非連續(xù)續(xù)性和各各向異性性。(2) 在在淺至中中等埋深深的巖體體工程中中，巖體體賦存于于應(yīng)力水水平不高高的地質(zhì)質(zhì)環(huán)境中中，結(jié)構(gòu)構(gòu)面對巖巖體的潛潛在破壞壞方式起起決定性性作用，以以充分尊尊重研究究對象的的基本屬屬性出發(fā)發(fā)，非連連續(xù)力學(xué)學(xué)數(shù)值分分析方法法就相應(yīng)應(yīng)地成為為了解決決此類結(jié)結(jié)構(gòu)控制制型問題題的正確確途徑。(3) 通通用的等等效連續(xù)續(xù)方法必必須基于于統(tǒng)計均均質(zhì)區(qū)尋尋找代表表體積單單元(RRVE)144，經(jīng)經(jīng)過等效效連續(xù)后后的各向向異性模模型可能能反映出出巖體的的整體變變形規(guī)律律，但是是難以反反映可能能的塊體體松

43、弛區(qū)區(qū)域及重重點錨固固區(qū)域。比比較而言言，非連連續(xù)介質(zhì)質(zhì)力學(xué)的的分析方方法更具具適宜性性，尤其其是離散散單元法法(3DDEC)能夠較較好地模模擬巖體體結(jié)構(gòu)面面“優(yōu)勢性性”，毋庸庸置疑地地成為了了解決復(fù)復(fù)雜巖體體工程問問題最適適合的手手段。(4) 中中低地應(yīng)應(yīng)力占主主導(dǎo)地位位區(qū)域的的大跨度度地下洞洞室的緩緩傾角層層狀圍巖巖穩(wěn)定問問題，應(yīng)應(yīng)采用適適宜的非非連續(xù)介介質(zhì)力學(xué)學(xué)分析方方法進(jìn)行行分析，真真實判別別潛在的的不穩(wěn)定定塊體和和區(qū)域，提提出明確確布置調(diào)調(diào)整方案案及加固固處理方方式，并并結(jié)合監(jiān)監(jiān)測成果果進(jìn)行穩(wěn)穩(wěn)定性評評價。參考文獻(xiàn)(Reffereencees)：王義鋒. 西南高高壩典型型巖體工工程問

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