海南瓊中抽水蓄能電站地下廠房支護(hù)設(shè)計

周 飛，童恩飛

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410014)

1 工程概況

海南瓊中抽水蓄能電站(以下簡稱“海蓄電站”)位于海南省瓊中縣境內(nèi)，樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及下水庫等4部分組成，安裝3臺單機容量200 MW的可逆式水泵水輪機組，總裝機容量600 MW。地下廠房采用首部式布置，引水系統(tǒng)采用“一洞三機”的聯(lián)合供水方式， 尾水系統(tǒng)采用“三機一洞”方式。上水庫正常蓄水位高程567 m，下水庫正常蓄水位高程253 m，機組額定水頭308 m。

海蓄電站為二等大(2)型工程，地下廠房按2級建筑物設(shè)計，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計，500年一遇洪水校核。地震基本烈度為Ⅵ度，設(shè)防類別為乙類，永久建筑物采用基本烈度6度作為設(shè)計烈度，按基準(zhǔn)期50年超越概率10%的地震動參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。

地下廠房洞室群主要由主廠房、主變洞、母線洞、主變運輸洞、電纜交通洞、高壓電纜平洞、電纜斜井、排風(fēng)豎井、排水廊道等洞室組成。從發(fā)電工況水流方向看，依次平行布置有主廠房、主變洞和尾水閘門室3大洞室。主廠房洞室縱軸線方向為N50.60°E，開挖尺寸為130.5 m×24 m×54.4 m(長×寬×高)；主變洞位于主廠房下游，開挖尺寸為105.8 m×19 m×20.6 m (長×寬×高)，與主廠房洞室之間的巖體厚度為40 m；尾閘室位于主變洞下游25.5 m，開挖尺寸為80.35 m×11 m×26.6 m (長×寬×高)。

2 地下廠房區(qū)域地質(zhì)條件

地下廠房布置于三曲嶺山脊偏西側(cè)(下水庫方向)山體內(nèi)，山體雄厚，地形坡度38°～42°，地表高程600～665 m，頂拱埋深386～402 m，上覆弱風(fēng)化～新鮮巖體厚350～310 m，洞室圍巖以微風(fēng)化～新鮮下白堊統(tǒng)鹿母灣組碎屑巖為主，巖性為含礫砂巖、含礫長石石英砂巖，巖石較致密堅硬，力學(xué)強度較高，微風(fēng)化～新鮮巖石的飽和抗壓強度平均值大于60 MPa。據(jù)平硐、鉆孔資料，地下廠房布置區(qū)巖體透水性微弱，地質(zhì)構(gòu)造較簡單，無規(guī)模較大的斷層分布，巖體完整性較好，圍巖巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD為70%以上，且廠房布置區(qū)分布小型斷層，局部節(jié)理裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)面發(fā)育方向以NNW、NEE向及NW向為主，多為中、陡傾角，緩傾角節(jié)理整體發(fā)育較弱，但局部相對較發(fā)育密集，結(jié)構(gòu)面為Ⅲ級及以下斷裂結(jié)構(gòu)面，少數(shù)延伸較長。

地下廠房區(qū)小型斷層、巖脈及節(jié)理裂隙密集部位圍巖類別為Ⅳ1類，約占整個洞室的6%，其他部位圍巖類別以Ⅲ類為主，Ⅲ1、Ⅲ2類圍巖約占整個洞室的80%，Ⅱ類圍巖約占整個洞室的14%。

圖2 地下廠房錨桿和錨索布置

3 圍巖總體穩(wěn)定性分析

地下廠房支護(hù)設(shè)計采用以工程類比法為主、理論計算為輔的設(shè)計方法[1]，根據(jù)規(guī)范、工程地質(zhì)條件和類似工程的建設(shè)經(jīng)驗初擬系統(tǒng)支護(hù)形式和參數(shù)，通過三維有限元計算進(jìn)行地下廠房圍巖穩(wěn)定性分析，驗證圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)的合理性和有效性，并對特殊部位提出專門的支護(hù)處理措施。地下廠房及主變洞初擬系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)：

主廠房頂拱及邊墻均采用錨噴支護(hù)，錨桿Ф25@3.0 m×1.5 m、桿長L=5 m/7 m相間布置；頂拱噴鋼纖維混凝土150 mm；邊墻掛網(wǎng)噴混凝土150 mm。

主變洞頂拱及邊墻均采用錨噴支護(hù)，錨桿Ф25@3.0 m×1.5 m、L=4 m/7 m相間布置；頂拱噴鋼纖維混凝土150 mm；邊墻掛網(wǎng)噴混凝土150 mm。

主廠房與主變洞之間布置2排預(yù)應(yīng)力對穿錨索，張拉力T=2 000 kN、@6.0 m×6.0 m、L=40 m。

根據(jù)地形、地質(zhì)資料及實測地應(yīng)力成果，通過有限元計算反演回歸，擬合出了三維初始地應(yīng)力場；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合廠區(qū)的地形地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)、圍巖物理力學(xué)特性和地應(yīng)力特征，建立相應(yīng)的力學(xué)分析模型，對施工期(含毛洞和支護(hù)工況)進(jìn)行了洞室穩(wěn)定性及支護(hù)計算分析，對圍巖參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，得到了圍巖的變形和應(yīng)力分布規(guī)律，給出了錨桿應(yīng)力分布范圍，描繪了圍巖屈服區(qū)的分布情況，從而論證開挖方式和支護(hù)參數(shù)的合理性。

3.1 變形分析成果

①～③機軸線剖面監(jiān)測點布置示意見圖1。圖中，Ⅰ～Ⅶ為開挖順序；1～13為位移計。地下廠房錨桿和錨索布置見圖2。

圖1 ①～③機軸線剖面監(jiān)測點布置示意

監(jiān)測結(jié)果表明，有支護(hù)開挖，在斷層影響區(qū)域及開挖區(qū)斷層出露位置變形相對較大，洞室邊墻圍巖最大水平位移為5.98 cm，該變形最大值均發(fā)生在主變室受F48和F40切割的巖體部位。除此之外，圍巖變形一般小于4.0 cm。從變形角度看，自重應(yīng)力場作用下有支護(hù)開挖洞室圍巖的變形量基本處于可控范圍內(nèi)。洞室周邊圍巖出現(xiàn)了第三主拉應(yīng)力，最大值達(dá)0.95 MPa，破壞區(qū)域主要集中在斷層出露巖體中。洞室圍巖的塑性區(qū)分布主要集中在主廠房上游邊墻和下游邊墻中。

綜上，海蓄電站地下洞室圍巖在有支護(hù)情況下整體安全穩(wěn)定性較好，地下廠房及主變洞初擬系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)合理。斷層影響區(qū)域等局部安全穩(wěn)定性較差，需要結(jié)合施工開挖揭露實際地質(zhì)情況對其進(jìn)行進(jìn)一步處理。

3.2 圍巖局部穩(wěn)定性分析

根據(jù)主廠房第Ⅰ層開挖地質(zhì)情況，主要揭露有4條斷層及2組節(jié)理，性狀描述如下。

3.2.1 斷層

(1)fc1。出露于主廠房樁號CZ0+089.5～CZ0+095.0范圍，產(chǎn)狀N80°E、SE∠80°～85°，斷層面平直，破碎帶寬度約1～3 cm，破碎帶的物質(zhì)成分為灰白色泥、巖石碎片及巖屑，斷層影響帶寬約10～20 cm，為正斷層性質(zhì)，斷層帶未見滴水，但斷層泥較濕潤。

(2)f42。出露于主廠房樁號CZ0+095附近，產(chǎn)狀N20°W、NE∠87°，斷層面較平直，破碎帶寬度約2～10 cm，影響帶寬50～150 cm，破碎帶由巖屑、斷層泥組成，膠結(jié)差。

(3)F48。出露于主廠房樁號CZ0+002～CZ0+030、高程170～217 m范圍，沿頂拱至基礎(chǔ)底部環(huán)形斜切整個廠房，產(chǎn)狀N86°E、SE∠60°～75°，斷面平直光滑，破碎帶寬10～65 cm，充填巖石碎塊碎屑夾灰白色泥，膠結(jié)較差，影響破碎帶0～300 cm，在廠房上下游墻局部產(chǎn)生掉塊，斷層面局部見傾向擦痕，示逆斷層性質(zhì)，錯距不明，屬Ⅲ級結(jié)構(gòu)面。

(4)f22。出露于主廠房樁號CZ0+005～CZ0-020范圍，產(chǎn)狀N15°W、NE∠80°，斷層破碎帶寬1～10 cm，影響帶寬小于0.5 m，破碎帶由巖屑、斷層泥組成，膠結(jié)差。

3.2.2 節(jié)理

(1)J1。分布于整個主廠房區(qū)，為主廠房控制性節(jié)理，產(chǎn)狀N30°W/NE∠80°，節(jié)理面平直，微張，張開寬度約0.1～0.2 cm，主要充填巖屑，局部有灰白色的泥。

(2)J2。分布于整個主廠房區(qū)，為順層向節(jié)理，產(chǎn)狀N60°E/SE∠30°～45°，節(jié)理面平直，近閉合，附少量巖屑，受紋理控制。

3.2.3 塊體穩(wěn)定分析

運用Unwedge3.0和Dips程序，結(jié)合主廠房第Ⅰ層開挖成形地質(zhì)素描圖，將特定塊體(斷層與斷層組合)、半特定塊體(斷層與節(jié)理組合)及隨機塊體(節(jié)理與節(jié)理組合)進(jìn)行系統(tǒng)分析，分析其可能出現(xiàn)的位置，對各類塊體按主廠房頂拱及邊墻進(jìn)行篩分，控制結(jié)構(gòu)面組合的隨機性。分析成果如下：

(1) 主廠房位置基本不存在特定的大規(guī)模不穩(wěn)定塊體，多為沿斷層出露位置的半特定塊體及節(jié)理出露處的隨機塊體。

(2)fc1斷層沿線的半特定塊體主要位于上游壁拱角及邊墻；F48斷層沿線的半特定塊體主要位于上下游拱角及上下游邊墻；f22及f42斷層沿線的半特定塊體主要位于上下游邊墻。J1、J2節(jié)理形成的隨機塊體主要位于下游邊墻及上游拱角，J2節(jié)理自身受紋理影響形成的掉塊則隨機出現(xiàn)。

(3)主廠房頂拱及邊墻多為小規(guī)模的不穩(wěn)定塊體，局部塊體較大，為半特定或隨機塊體。根據(jù)主廠房第Ⅰ層開挖成形邊墻節(jié)理的出露情況復(fù)核，用5 m/7 m長系統(tǒng)錨桿即可鎖定塊體，局部不穩(wěn)定塊體部位錨桿長度采用9 m。

4 施工處理措施

在整個開挖施工過程中，為保證施工安全及施工質(zhì)量，重視關(guān)鍵部位的施工程序，如主廠房頂拱(Ⅰ層)開挖，采用“先導(dǎo)洞后擴挖”的施工方法，即先開挖廠房中導(dǎo)洞，頂拱預(yù)留2 m保護(hù)層，頂拱擴挖支護(hù)完成后，上下游側(cè)錯距30 m擴挖跟進(jìn)。利用廠房探硐及上層排水廊道推測出主廠房可能出露的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，及時調(diào)整支護(hù)措施。

充分利用監(jiān)測手段，采用“設(shè)計、施工、監(jiān)測、修正設(shè)計”的原則進(jìn)行支護(hù)設(shè)計。隨時監(jiān)測圍巖的變形量、變形速率、錨桿應(yīng)力等監(jiān)測數(shù)據(jù)，以判別圍巖的穩(wěn)定性，并針對具體情況采取有效支護(hù)措施[2]。

(1)交叉洞口的加強支護(hù)。與主廠房洞室交岔部位較多，根據(jù)開挖面與結(jié)構(gòu)面組合，易形成潛在的不穩(wěn)定塊體，若不及時支護(hù)，將致使塑性圈及松動圈范圍不斷加大，進(jìn)而造成松動圈內(nèi)巖塊的失穩(wěn)，需采取加強支護(hù)措施。在交叉洞室起始段開挖輪廓線以外40～60 cm范圍，按1 m間距，設(shè)1～2排鎖口錨桿后，再采用光面爆破進(jìn)行開挖，同時控制光面爆破技術(shù)。

(2)斷層處理。斷層影響區(qū)域等局部安全穩(wěn)定性較差，采用短進(jìn)尺、弱爆破、多循環(huán)、勤支護(hù)的施工措施，加強施工過程中的排水，并將斷層內(nèi)和節(jié)理密集帶內(nèi)淤泥、破碎巖塊等清除干凈，清除一定深度后，噴混凝土回填，并加密鋼筋網(wǎng)，采用長砂漿錨桿將斷層上下盤巖體錨固在一起。

(3)不穩(wěn)定塊體處理。根據(jù)主廠房塊體穩(wěn)定分析成果，采用砂漿錨桿對主廠房頂部和下游邊墻部位小規(guī)模的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行有針對性的隨機錨固處理。

經(jīng)過以上分析及處理結(jié)果，主廠房洞室圍巖支護(hù)參數(shù)為：

主廠房頂拱。錨桿Ф25@1.5 m×1.5 m、L=5 m/ 7 m相間布置，拱腳部位3排漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿L=9 m、T=100 kN；樁號CZ0+025～CZ0+037段(F48斷層出露部位)系統(tǒng)錨桿間排距調(diào)整為1.2 m；副廠房段錨桿Ф25、L=7 m與Ф28、L=9 m按@1.5 m×1.5 m相間布置。掛網(wǎng)噴C25混凝土，厚150 mm。

主廠房上游邊墻。錨桿Ф25@1.5 m×1.5 m、L=5 m/7 m相間布置；樁號CZ0±000～CZ0-028段、高程213.9 m及拱座部位預(yù)應(yīng)力端錨索T=2 000 kN、L=25 m、@4.5 m；巖錨梁上下方各2排漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿L=9 m、T=100 kN。掛網(wǎng)噴C25混凝土，厚150 mm。

主廠房下游邊墻。錨桿Ф25/28@1.5 m×1.5 m、L=7 m/9 m相間布置；巖錨梁上下方各2排漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿L=9 m、T=100 kN。掛網(wǎng)噴C25混凝土，厚150 mm。主廠房與主變洞預(yù)應(yīng)力對穿錨索2排(高程213.90 m及巖錨梁以下)，T=2 000 kN、L=40 m、@4.5 m×4.5 m。

主廠房發(fā)電機層以下。錨桿Ф25@1.5 m×1.5 m、L=5 m。掛網(wǎng)噴C25混凝土，厚150 mm。

主廠房左右端墻。錨桿Ф25@1.5 m×1.5 m、L=5 m/7 m相間布置。掛網(wǎng)噴C25混凝土，厚150 mm。

地下廠房于2014年4月1日開始開挖，2015年11月20日開挖完成，實際總體施工進(jìn)度近20個月。開挖完成時，頂拱最大位移為2.3 mm，上游邊墻最大位移為26.26 mm，下游邊墻最大位移為3.04 mm，錨桿應(yīng)力計最大值為309.91 MPa，測值變化受地下廠房分層開挖爆破影響較明顯，變形速率小幅增長；開挖爆破面遠(yuǎn)離后，數(shù)據(jù)變化趨勢一般會有收斂，表層位移一般較深層位移大，數(shù)值變形較大處巖體被F48和f22斷層分割，錨桿應(yīng)力計月度變化速率最大為15.38 MPa/月，測值變化較大部位有F48斷層通過，目前各測值平穩(wěn)，說明圍巖變形已收斂，地下廠房洞室圍巖變形無異常。

5 結(jié) 語

海蓄電站地下廠房工程地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體節(jié)理發(fā)育，洞室跨度大，邊墻高。通過大量的研究及分析對比，采取合理的支護(hù)參數(shù)和形式是保證地下廠房安全、穩(wěn)定的前提。在開挖過程中，充分利用監(jiān)測手段，隨時監(jiān)測圍巖的變形量、變形速率、錨桿應(yīng)力等，判別圍巖的穩(wěn)定性，及時修正設(shè)計支護(hù)參數(shù)，是保證施工安全和評價圍巖穩(wěn)定的重要措施。海蓄電站地下廠房支護(hù)設(shè)計，可為類似工程提供參考。