蝕變帶巖壁吊車梁設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析

潘 兵 ，周 勇 ，蔡 波

（1.浙江中科依泰斯卡巖石工程研發(fā)有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 工程概況

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，是規(guī)劃中該河段的第6級(jí)水電站，其上游連接孟底溝水電站，下游連接卡拉水電站，工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電。楊房溝水電站樞紐由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成，地下廠房布置在距進(jìn)水口約150.00 m的左岸山體內(nèi)，廠房縱軸線方位N5°E，內(nèi)置4臺(tái)單機(jī)容量375 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 500 MW。主副廠房、主變室、尾水調(diào)壓室3大洞室平行布置，主副廠房尺寸為230.00 m×30.00 m×75.57 m（長(zhǎng)×寬×高），主變室尺寸為156.00 m×18.00 m×22.30 m（長(zhǎng)×寬×高），尾水調(diào)壓室采用阻抗長(zhǎng)廊式，1#和2#調(diào)壓室尺寸分別為24.00 m×69.50 m×63.75 m（寬×長(zhǎng)×高）和24.00 m×82.00 m×63.75 m（寬×長(zhǎng)×高）。

2 基本地質(zhì)條件

楊房溝地下廠房邊墻開挖揭露圍巖巖性為淺灰色花崗閃長(zhǎng)巖，呈微風(fēng)化 ～ 新鮮狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體質(zhì)量整體較好，一般以II、III類圍巖為主，局部IV類。主要發(fā)育5組優(yōu)勢(shì)節(jié)理：①順洞向陡傾角：N10° ～ 30°E NW ∠ 60° ～85°；②切洞向陡傾角：N65° ～ 75°W SW ∠ 65° ～ 70°；③切洞向中傾角：N85°E NW∠40° ～ 50°；④切洞向陡傾角：N80°W ～ N80°E SW/NW ∠ 80° ～ 90°；⑤切洞向中傾角：N80° ～ 90°E SE ∠ 40° ～ 50°。

在地下廠房“廠右0 + 005.0 m廠左0 + 051.5 m”洞段下游側(cè)邊墻開挖過程中，現(xiàn)場(chǎng)開挖揭露該洞段發(fā)育斷層f83及擠壓破碎帶J145、J164等，其中，斷層f83兩側(cè)影響帶寬0.50 ～ 3.40 m，影響帶內(nèi)斷層伴生節(jié)理發(fā)育，間距10 ～30 cm，沿節(jié)理面有擠壓蝕變現(xiàn)象，影響帶巖體完整性差 ～較破碎，以III2類圍巖為主，局部IV類?，F(xiàn)場(chǎng)針對(duì)巖體蝕變帶進(jìn)行聲波和鉆孔攝像檢測(cè)（見圖1），根據(jù)檢測(cè)成果，距邊墻約3.00 ～ 4.00 m巖體存在明顯的蝕變現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體波速基本在3 500 m/s以下（花崗閃長(zhǎng)巖新鮮完整巖塊的平均聲波速度在6 250 m/s），綜合判斷蝕變影響區(qū)域圍巖承載能力偏低，對(duì)巖壁吊車梁整體穩(wěn)定不利。

圖1 巖體蝕變區(qū)域聲波及鉆孔攝像結(jié)果圖

3 蝕變帶巖壁吊車梁加固設(shè)計(jì)方案

金豐年等[1]認(rèn)為巖壁吊車梁主要有3中破壞形式：①受拉錨桿屈服破壞；②下部交界斜面剪切破壞；③下部交界斜面混凝土被壓壞。當(dāng)下部交界斜面上巖體存在蝕變現(xiàn)象時(shí)，巖體承載能力相對(duì)有限，甚至低于混凝土的承載能力，巖體同樣存在擠壓破壞的可能，同時(shí)混凝土與巖體間的粘結(jié)性能也較差，容易發(fā)生沿交界斜面的剪切破壞。

由于蝕變帶影響區(qū)域巖體承載能力不足、抗變形能力較差，不易作為巖壁吊車梁的承載基礎(chǔ)，需采取針對(duì)性的加固處理，確保巖壁吊車梁在施工期和運(yùn)行期的安全穩(wěn)定。對(duì)于楊房溝地下廠房巖體蝕變帶的巖壁吊車梁，設(shè)計(jì)采用增設(shè)扶壁墻的方案進(jìn)行加固處理，并用預(yù)應(yīng)力錨索將扶壁墻固定在邊墻上，具體方案見圖2。

圖2 巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)示意圖 單位：cm

4 蝕變帶巖壁吊車梁加固效果數(shù)值分析

4.1 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

根據(jù)巖體蝕變影響洞段巖壁吊車梁增設(shè)扶壁墻加固處理方案，建立數(shù)值計(jì)算模型（見圖 3右），對(duì)增設(shè)扶壁墻方案的加固效果進(jìn)行分析，并以無扶壁墻方案（見圖 3左）作為對(duì)比方案。巖壁和吊車梁之間設(shè)置Interface 接觸面單元。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型圖

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告建議值，蝕變帶巖體變形模量取4 GPa，泊松比 0.280，抗剪斷參數(shù) c′ = 0.7 MPa、f ′ = 0.80。巖壁吊車梁采用C30混凝土澆筑，相關(guān)計(jì)算參數(shù)取值見表1。

表1 計(jì)算力學(xué)參數(shù)取值表

4.2 巖壁吊車梁變形特征

圖 4為廠房后續(xù)開挖過程中有無扶壁墻情況下巖壁吊車梁變形增長(zhǎng)情況圖。從變形趨勢(shì)看，變形增長(zhǎng)主要發(fā)生在廠房第IV ～ VII層開挖期間，后續(xù)廠房下臥過程中，巖壁吊車梁變形增長(zhǎng)幅度逐漸降低，對(duì)巖壁吊車梁整體穩(wěn)定影響相對(duì)較??；從變形量級(jí)來看，洞室開挖完成后，無扶壁墻方案下巖壁吊車梁累計(jì)變形接近20 mm，增設(shè)扶壁墻后，巖壁吊車梁變形量值略有降低，累計(jì)變形在18 mm左右?？梢姡鲈O(shè)扶壁墻方案能夠在一定程度上降低施工期巖體蝕變洞段巖壁吊車梁的變形量值，但其影響程度相對(duì)有限，后續(xù)開挖巖壁吊車梁變形特征主要受高邊墻開挖卸荷松弛變形控制。

圖4 施工期巖壁吊車梁變形隨開挖變化情況圖

圖 5為運(yùn)行期僅考慮輪壓荷載下引起的巖壁吊車梁變形增量圖。運(yùn)行期輪壓荷載引起的巖梁變形增量遠(yuǎn)小于施工期洞室開挖引起的變形增量，從2種方案巖壁吊車梁變形特征來看，與無扶壁墻方案相比，增設(shè)扶壁墻后，巖壁吊車梁最大變形增量由1.4 mm降到0.8 mm左右，降低了約40%。可見，增設(shè)扶壁墻對(duì)輪壓荷載作用下巖壁吊車梁變形有較好的控制作用。從巖臺(tái)部位圍巖變形特征看，原無扶壁墻方案巖臺(tái)擠壓變形相對(duì)明顯，增設(shè)扶壁墻后能夠?qū)⒁徊糠趾奢d向深部轉(zhuǎn)移，可一定程度上改善巖臺(tái)部位圍巖受力情況，對(duì)該巖體蝕變帶巖臺(tái)及巖壁吊車梁穩(wěn)定更加有利。

圖5 輪壓荷載作用下巖壁吊車梁變形增量圖

4.3 巖壁吊車梁應(yīng)力特征

圖6 ～ 7分別為施工期廠房開挖完成后，有無扶壁墻情況下巖壁吊車梁的最大、最小主應(yīng)力分布特征圖。與無扶壁墻相比，增設(shè)扶壁墻后巖壁吊車梁的受力狀態(tài)得到一定程度改善，最大主應(yīng)力一般小于0.5 MPa，但扶壁墻結(jié)構(gòu)自身的應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜，外側(cè)（臨空側(cè)）處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力在2.0 MPa左右，而內(nèi)側(cè)處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力在1.2 MPa左右，小于C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（ft= 1.43 MPa）。

施加輪壓荷載后，巖壁吊車梁的梁體應(yīng)力分布特征略有改變（見圖8 ～ 9），其中最大主應(yīng)力有一定程度的增加，無扶壁墻情況下巖壁吊車梁下拐點(diǎn)部位應(yīng)力增長(zhǎng)相對(duì)明顯，最大壓應(yīng)力在1.4 MPa左右，增設(shè)扶壁墻能降低該部位的壓應(yīng)力值。輪壓荷載作用下，部分荷載將通過巖壁吊車梁傳遞到下部的扶壁墻結(jié)構(gòu)上，使得扶壁墻外側(cè)受壓區(qū)域的壓應(yīng)力值有小幅度增長(zhǎng)，而內(nèi)側(cè)受拉區(qū)域的拉應(yīng)力值略有降低。

從受力特征看，無論是施工期還是運(yùn)行期輪壓荷載作用下，巖壁吊車梁及扶壁墻均滿足結(jié)構(gòu)承載能力要求，但扶壁墻自身局部存在相對(duì)偏大的拉應(yīng)力，安全裕度不高，并且該部位結(jié)構(gòu)體型和地質(zhì)條件均十分復(fù)雜，局部混凝土存在開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 無扶壁墻方案施工期洞室開挖完成后巖壁吊車梁應(yīng)力特征圖

圖7 增設(shè)扶壁墻方案施工期洞室開挖完成后巖壁吊車梁應(yīng)力特征圖

圖8 無扶壁墻方案運(yùn)行期輪壓荷載作用下巖壁吊車梁應(yīng)力特征圖

圖9 增設(shè)扶壁墻方案運(yùn)行期輪壓荷載作用下巖壁吊車梁應(yīng)力特征圖

4.4 巖壁吊車梁錨桿受力特征

圖 10為有無扶壁墻方案下巖壁吊車梁錨桿在施工期的受力特征圖。從圖10可知，增設(shè)扶壁墻對(duì)施工期巖壁吊車梁錨桿影響較小，2種方案下巖壁吊車梁受拉錨桿的應(yīng)力均在200.0 MPa左右，受壓錨桿應(yīng)力在150.0 MPa左右。施加輪壓荷載后，巖壁吊車梁錨桿應(yīng)力較開挖完成后有一定幅度增加，其應(yīng)力增量見圖11，單根錨桿軸向應(yīng)力最大增量分布在吊車梁與巖壁交接處，受拉錨桿增加的較為明顯，其中無扶壁墻方案下受拉錨桿應(yīng)力增量可達(dá)到90.0 MPa，而增設(shè)扶壁墻后，受拉錨桿應(yīng)力增量有較大幅度的降低，一般在40.0 MPa左右，2種方案受壓錨桿變化均不大。

可見，增設(shè)扶壁墻主要對(duì)運(yùn)行期輪壓荷載作用下巖壁吊車梁錨桿受力有一定影響，受拉錨桿應(yīng)力增量有較大幅度的降低，提高了巖壁吊車梁錨桿的安全裕度。

圖10 施工期廠房開挖完成巖梁錨桿受力特征圖

圖11 運(yùn)行期輪壓荷載作用下巖梁錨桿應(yīng)力增量圖

5 結(jié) 論

針對(duì)巖體蝕變影響區(qū)域巖壁吊車梁的穩(wěn)定性進(jìn)行探討，利用數(shù)值分析方法，重點(diǎn)研究蝕變帶巖壁吊車梁增設(shè)扶壁墻方案的加固效果。結(jié)論如下：

（1）增設(shè)扶壁墻可有效控制巖壁吊車梁在施工期開挖卸荷和運(yùn)行期輪壓荷載作用下的變形量值，其中扶壁墻對(duì)輪壓荷載作用下巖壁吊車梁的變形控制較明顯，與無扶壁墻方案相比，變形增量降低了約40%。

（2）增設(shè)扶壁墻能夠改善梁體及巖壁吊車梁與巖臺(tái)接觸面的應(yīng)力狀態(tài)，但扶壁墻結(jié)構(gòu)自身的受力狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜，靠近圍巖一側(cè)處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力可達(dá)到1.2 MPa左右，可能引起局部扶壁墻混凝土開裂。

（3）增設(shè)扶壁墻對(duì)施工期巖壁吊車梁錨桿受力影響較小，受拉錨桿應(yīng)力均在200.0 MPa左右，受壓錨桿應(yīng)力在150.0 MPa左右；運(yùn)行期輪壓荷載作用下，增設(shè)扶壁墻方案能夠?qū)﹀^桿應(yīng)力增長(zhǎng)起到較好的控制作用，受拉錨桿應(yīng)力增量有較大幅度的降低（由無扶壁墻方案的90.0 MPa（與前文不一致）降低到約40.0 MPa），提高了運(yùn)行期巖壁吊車梁錨桿的安全裕度。

（4）綜上所述，對(duì)于巖體蝕變影響帶，采用增設(shè)扶壁墻加固處理，能夠有效控制巖壁吊車梁的變形和結(jié)構(gòu)受力特征，確保巖壁吊車梁在施工期和運(yùn)行期的安全穩(wěn)定。

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