某水電站洞室間距選擇分析

林起明 龔 軍

（中國水電顧問集團成都勘測設計研究院 四川成都 610072）

1 概述

本工程位于四川省甘孜州雅江縣境內。地下廠房系統(tǒng)由地下廠房、主變室、尾水調壓室等建筑物組成，地下廠房布置在左岸水平埋深約173～396m山體內，對應垂直埋深約295～523m。主、副廠房及安裝間呈“一”字型布置，縱軸線方向為N70°E。主機間左、右兩側分別布置安裝間、副廠房。其中安裝間靠山側布置，主廠房內安裝4臺單機容量270MW的水輪機組。主、副廠房洞室斷面采用弧拱直墻型，矢跨比1：4。主機間長度為143.82m。主廠房上部開挖跨度29.75m，中、下部開挖跨度26.80m，副廠房開挖跨度26.80m，主機間最大開挖高度68.56m。

2 廠區(qū)基本地質條件

廠區(qū)山體雄厚，地下廠房洞室群置于二長花崗巖中，巖石微風化～新鮮，塊狀～次塊狀結構為主，濕抗壓強度80～100MPa。地下水不豐富。廠區(qū)共發(fā)育 19 條斷層和擠壓帶，優(yōu)勢方向為 N15～45°E/NW（SE）∠70～85°（12條），多為Ⅳ級結構面，屬Ⅲ級結構面的規(guī)模較大斷層有斷層f44和f63。裂隙：①N70～90°W/NE（SW）∠70～85°；②N10～25°E/SE（NW）∠70～85°；③N30～50°E/SE（NW）∠70～85°；④N60～90°E/SE（NW）∠70～85°。均為Ⅴ級結構面。廠區(qū)初步圍巖分類以Ⅱ～Ⅲ類為主，局部構造帶、裂隙密集發(fā)育帶等部位為Ⅳ、Ⅴ類。

廠區(qū)最大主應力范圍值為20.0～29.6MPa，屬高應力區(qū)，方向位于N60.8～S3.5°E范圍內?？紤]到廠區(qū)主要建筑物埋深大、地應力高，圍巖的強度應力比2＜S＜4，根據(jù)《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》（GB50287-2006），地下洞室初步圍巖分類中的Ⅱ類圍不能滿足圍巖的強度應力比S＞4的限制條件，因此將廠區(qū)Ⅱ類圍巖降為Ⅲ1類圍巖。

廠房縱軸線以考慮與地應力的最大主應力σ1水平投影方向的夾角宜小、樞紐布置順暢、引水建筑物投資小為主，同時兼顧到與巖體結構面走向交角宜大的原則進行選擇，確定廠房縱軸線的方向N70°E，與地應力夾角在 0～12°。

圖1 地下廠房洞室群與斷層f44、f63的空間關系

3 洞室圍巖穩(wěn)定分析

3.1 洞室間距擬定

在初步確定了三大洞室并列平行布置、尾水調壓室下室中心線與主廠房機組中心線間距為149m的基礎上，充分考慮地下廠區(qū)的實際地質條件和洞室結構，為縮短尾水管長度，利于機組穩(wěn)定運行以及減少土建投資，擬定了相應間距為144m（-5m方案）、149m（0m方案）與154m（+5m方案）三個方案進行圍巖穩(wěn)定性比較。三個方案廠房和主變之間的巖柱厚度均為47m（吊車梁以上），主變室與尾水調壓室之間的巖柱厚度分別為40.50m、45.50m和50.50m。

圖2

3.2 計算模型本構模型和巖體參數(shù)

本構模型采用的是以帶拉伸截止限的Mohr-Coulomb強度準則為屈服函數(shù)的理想彈塑性模型。該模型是實際工程計算中最常用的本構模型，它有著廣泛的工程實踐檢驗；另外，該模型的參數(shù)為工程實踐中常用的參數(shù)，通過地質資料以及室內外試驗可以很容易獲得的，所以利用該模型進行本工程地下廠房圍巖穩(wěn)定分析是可行的。本次計算時，本構模型的力學參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學參數(shù)表

3.3 間距變化對圍巖位移的影響規(guī)律

主廠房不同部位計算結果見表2所示（單位：m）。

主變室不同部位計算結果見表3所示（單位：m）。

尾調室不同部位計算結果見表4所示（單位：m）。

主廠房及尾調室之間洞室間距變化對主廠房上游邊墻及端墻部位變形影響較小，整體變化幅度不大。洞室間距變化對主廠房及主變室下游邊墻變形有一定的影響，隨著間距增加，位移相應減??；相對0m方案，-5m方案時位移增加幅度分別在0.1～3.8%、0.3～4.3%之間，5m方案時位移減小幅度在0.3～2.7%、0.5～5.1%之間。2#尾調室區(qū)域位移分布受斷層f63影響最大。隨著洞室間距增加，斷層f63切割2#尾調室的范圍逐漸縮小，2#尾調室上游邊墻位移也相應減小。-5～0m方案，減小幅度一般在1.7～7.3%之間；0m方案到5m方案，減小幅度一般在0.4～7.9%之間。

表2

表3

表4

3.4 間距變化對圍巖應力的影響規(guī)律

開挖完成1#機組段洞周應力值比較（MPa）。

表5

開挖完成4#機組段洞周應力值比較（MPa）。

表6

從洞室各機組段典型部位的應力量值統(tǒng)計情況來看，不同間距方案洞周的大主應力分布規(guī)律基本相同，量值差別較小。開挖完成，各洞室洞周頂拱的大主應力量值約-22～-36MPa，邊墻部位的大主應力量值約-5～-28MPa。各洞室頂拱的小主應力量值約-5～-11MPa。三大洞室的上下游邊墻的拉應力較明顯，量值約在0.04～1.04MPa之間。

可見，不同間距方案對應力場分布規(guī)律影響較小，只是在量值上存在一定的差別。從圍巖的拉應力區(qū)分布及量值而言，洞室間距變化對應力的影響較小，不同方案之間沒有明顯差異。

3.5 間距變化對圍巖塑性區(qū)的影響規(guī)律

主體洞室不同間距對地下洞室塑性區(qū)影響對比表單位：m3。

表7

-5m方案較0m方案主廠房及尾調室塑性區(qū)體積有所增加，圍巖塑性區(qū)體積增加幅度分別為0.5%、1.0%，主變室塑性區(qū)基本無變化。5m方案較0m方案主廠房塑性區(qū)體積有所減小，圍巖塑性區(qū)體積減小幅度為0.3%，主變室及尾調室塑性區(qū)略有增加，增加幅度為1.0%、2.0%。

對比塑性區(qū)深度、塑性區(qū)體積等指標，除-5m方案外，其余方案主廠房及主變室之間塑性區(qū)沒有貫通，均比-5m方案更有利于洞室圍巖穩(wěn)定，洞室間距變化對地下廠房其他部位圍巖的塑性區(qū)分布以及整體的塑性區(qū)體積影響很小。

3.6 主廠房與主變室合理間距建議

綜合上述分析，從三維數(shù)值計算結果來看，本工程地下廠房，主廠房和主變室間距變化對主廠房下游邊墻及主變室上游邊墻變形的影響較為明顯，間距增加，位移相應減小。從洞室群變形來看，-5m方案對主廠房和主變室之間巖柱的穩(wěn)定不利，5m方案和0m方案對巖柱力學響應的影響基本一致，對圍巖穩(wěn)定的影響相差較小。從圍巖的拉應力區(qū)分布及量值而言，洞室間距變化的影響較小，不同方案之間沒有明顯差異。從塑性區(qū)深度、塑性區(qū)總量的統(tǒng)計對比來看，除-5m方案外，5m方案和0m方案時主廠房及主變室之間塑性區(qū)沒有貫通，更有利于洞室圍巖穩(wěn)定。從上述計算結果分析來看，5m方案是三種方案中對洞室群穩(wěn)定最為有利，其次為0m方案。需要注意的是，間距增加5m方案將增加母線洞及尾水連接洞長度，增加工程量及投資，而0m方案與其相比，對洞室群穩(wěn)定性沒有明顯變化。因此，洞室間距需要從洞室布置、施工便利和經(jīng)濟合理等角度綜合考慮確定。

4 結語

地下洞室間距除應綜合考慮地下洞室穩(wěn)定、引水發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、工程建設的經(jīng)濟性。最終通過綜合比選，確定洞室最優(yōu)布置。