近年来，抽水蓄能电站工程的建设步伐不断加快，抽水蓄能电站地下洞室群在建设和运营过程中的围岩稳定问题一直以来都备受关注和重视.然而，地下洞室的开挖稳定受到工程地质条件、开挖方式、洞室间距等的综合影响，使得对围岩稳定的判断具有一定的难度.由于抽水蓄能电站地下洞室的断面面积大且断面形状差异也较大^[1~3]，特别对于地下平行洞室，只有确定出恰当的间距，才能确保围岩稳定、施工运营安全以及经济上的合理.洞室间距选择过大，直接导致母线洞长度增加，从而增加土建投资和运行期母线的电能损耗，甚至会造成洞室群的选址难度增加；若间距太小，洞室与洞室之间的影响过大，在施工建设和运营期间都有可能发生危险，甚至发生大范围或整体破坏.因此，地下厂房洞室选定恰当的间距，具有非常关键的意义^[4~7].

特别是在岩脉发育情况下的地下洞室间距研究较少，而岩脉对围岩的稳定也有着不可忽视的影响，所以针对这一情况以惠州抽水蓄能电站二期厂房为例，运用FLAC^3D有限差分方法，对岩脉条件下的洞室间距进行重点研究分析.

1 模型建立与计算方法 1.1 工程概况

惠州抽水蓄能电站二期地下厂房对应的地面高程为450~550 m，厂房埋深为280~380 m，总体上，厂房区地形较完整，山体雄厚.地势呈北东较高，南西较低，地面坡度约5°~25°，地表面可见大片的强~弱风化花岗岩基岩出露.

从探洞揭露的情况看，地下厂房深部岩石为燕山期微风化~新鲜的中细粒、中粗粒花岗岩，并有后期侵入的闪长玢岩脉和煌斑岩脉，岩脉与围岩呈侵入接触，胶结较好，岩质坚硬，岩体呈整体~块状结构，少量为次块状结构.裂隙较发育，多闭合，断层发育不多，其中较大的f304断层破碎带距离厂房区较远.

文章主要考虑2条花岗闪长岩脉：产状分别为N45°W/NE∠82°和N42°W/NE∠80°，宽度为1.5~2.5 m和2.2~2.7 m.

1.2 模型建立与参数确定

大型地下洞室群工程设计时，地下洞室间距是需要重点考虑的一个参数，它直接影响到整个地下洞室群的稳定性.目前，国内水电站厂房设计规范规定洞室净距不小于1~1.5倍的相邻洞室平均跨度.本工程地下厂房高为49.4 m，跨度为21.5 m，主变洞高为17.85 m，跨度为18.15 m，在此基础上设置了3种洞室净距方案，分别为方案1净距35 m、方案2净距40 m和方案3净距45 m.

计算主要考虑主厂房与主变洞，由于尾闸洞较小，忽略其影响，因此模型中不带有尾闸洞.坐标系选择如图 1：x轴垂直于厂房轴线方向，指向下游，y轴竖直向上，z轴平行于厂房轴线.计算范围为：0≤x≤280 m，0≤y≤250 m，0≤z≤138 m.围岩和岩脉都采用实体单元模拟，建立三维几何模型及网格划分见图 1，图 2为y=135 m(高程156.5 m)处的平切图.

依据已有的岩体力学试验结果，结合对结构面类型、物质成分、风化状况等工程地质特性研究，确定的岩体和岩脉的力学参数见表 1.

1.3 计算方法

三维快速拉格朗日法(FLAC^3D)是由Cundull^[8]提出并发展成熟的一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法^[9~11].它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为，比较适合模拟地下洞室群围岩开挖、支护的施工过程，这种算法非常适合用来模拟工程中的大变形问题.FLAC^3D分析采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并结合了混合单元离散模型来模拟材料的塑性破坏和塑性流动，在材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形等方面可以更为精确合理地进行模拟计算，因此FLAC^3D在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等方面有其独有的优势^[12~14].

材料屈服准则采用Mohr-Coulomb屈服准则.其表达式是等效塑性应变的函数^[15]：

同时考虑到岩体抗拉强度比较小，当岩体内部出现拉应力时，则采用最大拉应力强度准则(Rankine准则):

式中：σ₁为第1主应力；σ₃为第3主应力；σ_t为拉应力；f_s为剪切屈服函数；f_t为拉应力屈服函数；N_φ为内摩擦角的函数；C(ε_p)、φ(ε_p)为等效塑性应变的函数.

根据实地测量的地应力场，x=0、y=0 2个侧面和1个底面加法向位移约束，x=280 m、z=138 m 2个侧面加法向应力边界.水平初始应力场为：σσ_x=-10.97+0.022 0y,σσ_z=-12.41+0.024 6y;竖向取自重应力.先采用弹性模型计算，得到应力场，因为这样得出的地应力场与实际地应力场比较接近.然后位移归0，之后的数值模拟计算都改为采用摩尔-库仑模型，边界条件不再有应力边界，改为4个侧面和1个底面施加法向位移约束，顶面设为自由面.

2 结果分析

由于主要研究的是岩脉对洞室间距及洞室围岩稳定的影响，所以暂不考虑开挖顺序对洞室围岩稳定性的影响.该洞室群分6层开挖，其中主厂房共分6层，主变洞分3层，主厂房上部3层与主变洞3层从上至下逐层同步开挖.

2.1 应力分析

在洞室一旦开挖之后，围岩随即产生扰动，围岩应力出现2次重分布，洞室周围径向应力得以释放，环向应力便会增加，因此，在洞室的不同部位出现不同程度的应力集中.图 3为y=135 m(高程156.5 m)处的应力场平切图，图中给出了3种方案主厂房和主变洞在毛洞开挖之后的x向和y向的应力等值线图，与最小和最大主应力的方向几乎相同.

计算结果表明，3种方案围岩应力分布规律比较类似，主厂房高边墙中部均为屈服区，应力释放比较明显.3种方案岩柱应力条件均良好，仅在局部较小区域岩体应力值较高，各方案岩柱应力分布状态差别明显，可以看到2条岩脉部位出现应力集中现象，方案1的应力集中区域最大，方案2次之，方案3最小.

2.2 位移分析

由于主变洞的高度和跨度都比较小，其位移也较小，因此主要分析主厂房的顶拱、底板和边墙的位移变化情况，主要采用的方法是在顶拱、底板的中点每隔0.5 m取竖向(y向)位移值，以及2个边墙大约中点水平位移最大部位的x向位移值，截取轴线方向z=10 m到z=130 m之间的数值绘制曲线如图 4、5所示.

由图 4可见，主厂房顶拱的竖向位移较大，3种方案顶拱都表现为整体下沉变形，从方案1到方案3，主厂房顶拱的位移值呈现出不断减小的趋向.在主厂房开挖完成后，底板隆起，产生向上的位移，3种方案位移值也呈减小的趋势，相差较小.在顶拱位移曲线可以看出在z=61 m和z=100 m附近出现位移较大的现象，这2个位置与2条岩脉的位置吻合，可见在洞室开挖应力重分布之后，岩脉在挤压下位移较大.

由图 5可以看出，主厂房上、下游侧墙的水平位移呈现向洞室内的变形趋势，下游侧墙位移较上游侧墙位移大.开挖完成后，3种方案水平位移随着洞室间距的加大逐渐减小，洞室间距由40 m增加到45 m时，位移相差不大.

2.3 塑性区分析

如图 6为y=135 m处的塑性区平切图，3种洞室间距方案的塑性区分布规律基本相同，随着洞室间距的加大，塑性区范围逐渐减小.从图中可以看出下游边墙塑性区影响深度大于上游塑性区影响深度，主副厂房上游边墙塑性区厚度大约为5~13 m，下游边墙塑性区厚度大约为6~15 m，其中方案1的主厂房与主变洞的塑性区在岩脉位置出现连通现象，不利于洞室围岩的稳定，会增加支护难度.3种方案的塑性破坏区体积分别为62 638、58 700和57 587 m³.总体上，方案1主厂房和主变洞之间岩柱的弹性区域较少，主厂房边墙塑性区深度最大；随洞距增大，塑性区的分布大致相当，方案2与方案3相差不大.

3 支护条件下稳定性分析

通过对比3种方案的应力、位移和塑性区，可以得出：方案1得出的应力集中区、位移和塑性区都比较大，所以该方案的设置间距过小，不利于洞室围岩稳定；从方案1到方案2无论是应力集中区还是位移和塑性区都有所减小并且减小幅度较大，而从方案2到方案3减小幅度较小，因此进一步说明方案1对围岩稳定不利，而间距从方案2增加到方案3，围岩稳定性并没有得到特别有效的提高.综合考虑围岩稳定和经济成本，方案2基本满足围岩稳定、施工难度、经济成本等条件.但是由于围岩中裂隙以及岩脉的存在，为进一步减小围岩变形及改善围岩应力分布，实际工程都会对围岩进行支护，因此采用cable单元模拟锚杆，选取方案2，研究洞室在锚杆支护条件下分层开挖之后的围岩稳定性，并与无支护的情况对比，锚杆单元模型如图 7所示.

通过对计算结果分析得出支护之后拉应力略有降低，但不明显，拉应力分布区域与未支护情况基本相同，可见支护对减少应力集中效果不明显，主要是因为围岩花岗岩的力学性质较好，并且在岩脉部位支护之后的应力场改善也不是很明显.

对比无支护工况的位移计算结果，2种工况的位移在量值上有所变化，位移场分布规律大致相同，支护工况下，主副厂房顶拱位移最大值为21 mm，相比无支护的情况减小22.2%，主副厂房上游边墙位移最大值为27 mm，减小35.7%，主副厂房下游边墙位移最大值为29 mm，减小32.6%，可见锚杆支护确实减小了洞室顶拱、边墙的位移，起到了一定的加固效果.

计算结果表明，洞室围岩塑性破坏区体积减少为36 570 m³，相比减少了37.7%，由此说明开挖经锚杆加固之后，洞室围岩的强度有一定的增强，提高了其抗变形能力，在一定程度上减小了主厂房、主变室周围的塑性区，对加强洞室围岩稳定起到了非常重要的作用.

4 结论

1) 洞室开挖之后，围岩在不同区域出现了不同程度的应力集中，特别是在岩脉部位，应力集中程度较高，特别是方案1最明显.

2) 开挖之后的洞室围岩总体变形趋势为顶拱下沉，底板隆起，边墙向洞内侧移，特别是高边墙，中部位移最大，其中，由于受主变洞影响，下游边墙位移值大于上游边墙位移值.岩脉部位顶拱位移较大，总体位移值随着洞室间距的扩大而减小.

3) 地下洞室塑性破坏区沿洞周分布，边墙中部的塑性区深度最大，35 m间距洞室塑性区在岩脉部位有所连通，其他方案洞室间相互影响较小.

4) 分析认为方案2更有利于围岩稳定和减少施工难度和经济成本.对比锚杆支护工况和无支护工况，结果表明锚杆加固情况下的围岩应力、位移和塑性区都有一定程度的改善，说明锚杆加固对围岩稳定起到了明显的作用.

5) 根据结果分析得出，岩脉对洞室间距的选择起关键作用，并对围岩稳定具有较大影响，建议在洞室开挖过程中及时支护注意安全，可采取加长锚杆和加密锚杆分布等方式对岩脉部位加强支护.