拉哇水電站地下廠房圍巖穩(wěn)定分析

任少龍，鄭林娜

(1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098)

0 引 言

隨著水電開(kāi)發(fā)建設(shè)的大力發(fā)展及其技術(shù)的逐漸成熟，水電站地下廠房的規(guī)模逐漸變大，地下廠房的圍巖穩(wěn)定性影響著施工設(shè)計(jì)方案的成敗，因此對(duì)地下廠房圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析成為水電站設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題[1-2]。國(guó)家水電建設(shè)逐步向西南地區(qū)轉(zhuǎn)移，水電工程多處于高山峽谷之中，其地質(zhì)地形情況復(fù)雜多樣，圍巖開(kāi)挖后應(yīng)力重分布容易產(chǎn)生變形，危及圍巖穩(wěn)定，因此研究不同條件下地下工程圍巖變形和穩(wěn)定性成為一項(xiàng)重要課題[3- 4]。樊啟祥[5]等結(jié)合模擬分析和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，分析了緩傾角巖層中地下廠房圍巖變形控制及其圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題；聶衛(wèi)平[2]等采用黏彈塑性有限元法對(duì)向家壩水電站地下廠房進(jìn)行了圍巖穩(wěn)定分析；左雙英[6]等采用FLAC3D軟件模擬分析了高地應(yīng)力區(qū)的水電站地下廠房分期開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題。大型地下洞室群結(jié)構(gòu)復(fù)雜，洞室之間互有影響，圍巖穩(wěn)定受洞室規(guī)模、開(kāi)挖順序和支護(hù)方式等多方面的影響。本文采用三維非線性有限元法，利用ABAQUS有限元軟件，以拉哇水電站地下廠房為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)施工開(kāi)挖程序和圍巖支護(hù)方式的可靠性及安全性，以及圍巖中斷層等結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，旨在為工程開(kāi)挖程序和支護(hù)方式提供一些有益結(jié)論。

1 工程概況

拉哇水電站位于金沙江上游川藏河段，是金沙江上游13級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的第8級(jí)水電站，上游與葉巴灘水電站銜接，下游為巴塘梯級(jí)。工程樞紐建筑物主要由擋水建筑物、泄水建筑物及右岸輸水發(fā)電系統(tǒng)等組成。地下廠房布置在距右壩肩下游約200.00 m處右岸山體內(nèi)，主廠房開(kāi)挖尺寸為180.00 m×29.50 m×73.913 m(長(zhǎng)×寬×高)，廠房?jī)?nèi)共安裝4臺(tái)500 MW機(jī)組，總裝機(jī)容量為2 000 MW。廠內(nèi)兩臺(tái)橋式起重機(jī)，巖壁吊車(chē)梁上、下開(kāi)挖跨度分別為28.00、29.60 m。主變洞位于主廠房下游，與主廠房平行布置，兩者間巖墻厚40.00 m，開(kāi)挖尺寸178.00 m×19.80 m×20.90 m(長(zhǎng)×寬×高)。

2 計(jì)算條件

拉哇水電站地下廠房廠區(qū)山體雄厚，岸坡陡峭，地表多為弱風(fēng)化基巖陡壁。廠區(qū)洞室圍巖以Ⅲ1～Ⅲ2類為主，主要為微風(fēng)化至新鮮第3層角閃片巖、綠泥角閃片巖，屬中等堅(jiān)硬至堅(jiān)硬巖石。巖層產(chǎn)狀總體為N10°～60°W，SW∠30°～40°。洞室圍巖主要特征參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)測(cè)廠區(qū)的地應(yīng)力主要受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力影響，最大主應(yīng)力平均值為11.8 MPa，主應(yīng)力方位為N26.5°W～N26.8°W，側(cè)壓力系數(shù)為1.56～1.58，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比約為5.8，屬中等偏低應(yīng)力區(qū)。

表1 圍巖主要特征參數(shù)

根據(jù)勘探平硐揭露，廠址區(qū)域強(qiáng)卸荷水平埋深約5 m，弱卸荷不明顯，弱風(fēng)化水平埋深約35 m，鉛直埋深42 m。廠區(qū)共發(fā)育20條斷層，其中：Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面有6條，分別為F259、F263，F(xiàn)264及層間斷層F513、F514、F515，其他14條為Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面。地下廠房區(qū)域主要發(fā)育4組節(jié)理，見(jiàn)圖1。

圖1 節(jié)理等密度(上半球投影)

3 圍巖穩(wěn)定數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型

采用三維有限元建模，模擬拉哇水電站地下廠房洞室群實(shí)際洞體結(jié)構(gòu)、廠區(qū)實(shí)際地形及地質(zhì)條件。主要包括主廠房、主變室、1條主變運(yùn)輸洞、4條母線洞、1條進(jìn)廠交通洞及4條尾水洞，以及對(duì)廠房區(qū)圍巖穩(wěn)定影響較大的F269、F513、F263、F264等4條斷層。模型X軸為主廠房軸線方向，指向副廠房方向?yàn)檎?；Y軸為上、下游方向，指向下游尾水管為正；Z軸為鉛直向，向上為正。以1號(hào)機(jī)組中心橫剖面與廠房縱軸線在2 504 m高程處的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。模型單元數(shù)為457 718，節(jié)點(diǎn)數(shù)為97 514，三維整體模型見(jiàn)圖2，廠房區(qū)模型見(jiàn)圖3。

圖2 三維整體有限元模型

圖3 地下廠房有限元模型

3.2 開(kāi)挖方案順序

根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)，并參考同類項(xiàng)目，擬定拉哇地下廠房主要洞室開(kāi)挖方案。地下廠房分9期進(jìn)行開(kāi)挖，地下洞室開(kāi)挖順序?yàn)椋褐鲝S房分Ⅰ～Ⅸ級(jí)對(duì)應(yīng)1～9期開(kāi)挖，主變室A、B在1期分別在1、2期開(kāi)挖，母線洞M1、M2分別在4、5期進(jìn)行開(kāi)挖，進(jìn)水管①在第7期進(jìn)行開(kāi)挖，尾水管②在第9期進(jìn)行開(kāi)挖。同時(shí)為了簡(jiǎn)便直觀地說(shuō)明地下廠房洞室群在分級(jí)開(kāi)挖過(guò)程中的位移和應(yīng)力變化特征，在主廠房和主變室中選取了具有代表性的關(guān)鍵點(diǎn)，具體開(kāi)挖分級(jí)及關(guān)鍵點(diǎn)位置見(jiàn)圖4。

圖4 拉哇地下洞室群計(jì)算開(kāi)挖分級(jí)示意(高程：m)

3.3 支護(hù)方案

以現(xiàn)行的錨噴支護(hù)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用直接工程類比法，擬定拉哇水電站主要洞室支護(hù)方案。洞室支護(hù)擬定采用錨噴支護(hù)方式，即噴鋼纖維混凝土+系統(tǒng)錨桿+預(yù)應(yīng)力錨索。

主廠房頂拱及母線層以上兩側(cè)側(cè)墻噴鋼纖維混凝土厚20 cm，系統(tǒng)錨桿采用Φ32/28@1.5 m×1.5 m，桿長(zhǎng)9 m和6 m間隔布置，預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)值為2 000 kN，長(zhǎng)20～30 m，間排距4.5 m。母線層以下兩側(cè)側(cè)墻噴鋼纖維混凝土厚20 cm，系統(tǒng)錨桿采用Φ28@1.5 m×1.5 m，桿長(zhǎng)6 m；主變洞頂拱和側(cè)墻噴鋼纖維混凝土厚15 cm，系統(tǒng)錨桿采用Φ32/28@1.5 m×1.5 m，桿長(zhǎng)9 m和6 m間隔布置，預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)值為2 000 kN，長(zhǎng)20～30 m，在頂拱部位布置3排，上下游側(cè)墻各布置2排，間排距4.5 m。

4 地下洞室群開(kāi)挖過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性分析

4.1 洞室圍巖位移變化規(guī)律

3號(hào)機(jī)組處于斷層交錯(cuò)的核心區(qū)，故取為代表性機(jī)組進(jìn)行分析。洞室開(kāi)挖后，圍巖總體朝向開(kāi)挖臨空面變形，邊墻部位變形較大，以水平變形為主，頂拱下沉，底板回彈。隨著開(kāi)挖高程降低，開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)范圍逐漸增大，邊墻及頂拱變形在9級(jí)開(kāi)挖完成后累計(jì)至最大值。3號(hào)機(jī)組在支護(hù)和反演地應(yīng)力場(chǎng)的情況下開(kāi)挖過(guò)程洞周部分關(guān)鍵點(diǎn)位移值見(jiàn)圖5，頂拱位移向上為正，側(cè)墻位移向下游為正。3號(hào)機(jī)組位移等值線云圖見(jiàn)圖6。

圖5 3號(hào)機(jī)組在開(kāi)挖過(guò)程中洞周部分關(guān)鍵點(diǎn)位移值

圖6 3號(hào)機(jī)組位移等值線云圖(單位：m)

表2 3號(hào)機(jī)組9級(jí)及部分級(jí)數(shù)開(kāi)挖后部分關(guān)鍵點(diǎn)主拉、主壓應(yīng)力情況 MPa

注：應(yīng)力值拉為正，壓為負(fù)．

由圖5、6分析得：邊墻最大位移發(fā)生在洞室腰部位置及洞室連接處。主廠房頂拱變形向下，最大下沉位移為25.49 mm；主廠房變形以水平收縮為主，上、下游墻最大水平位移分別為74.44、73.35 mm，均發(fā)生在F513斷層與主廠房交匯區(qū)域，下游墻變形受斷層影響較為明顯；主變室頂拱變形向下，最大沉降位移為29.09 mm，發(fā)生在F263斷層與主變室交匯處；主變室水平位移偏向主廠房方向，上游墻最大水平位移為3.20 mm，發(fā)生在F513斷層與主變室上游墻交匯處，下游墻最大水平位移為35.95 mm，發(fā)生在F513斷層與主變室下游墻交匯處，發(fā)生在下游墻中部，施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)斷層影響區(qū)域加強(qiáng)監(jiān)控，并采取加強(qiáng)支護(hù)措施。

4.2 洞室圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

3號(hào)機(jī)組9級(jí)及部分級(jí)數(shù)開(kāi)挖后主拉主壓應(yīng)力情況見(jiàn)表2，3號(hào)機(jī)組在支護(hù)情況下中剖面主應(yīng)力等值線云圖見(jiàn)圖7。

圖7 3號(hào)機(jī)組中剖面主應(yīng)力等值線云圖(單位：MPa)

從表2和圖7分析可得：地下廠房開(kāi)挖后，洞周徑向應(yīng)力釋放，切向應(yīng)力增加。隨著與洞壁距離增大，開(kāi)挖對(duì)圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響越來(lái)越小。當(dāng)開(kāi)挖臨近關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)，受開(kāi)挖擾動(dòng)影響，關(guān)鍵點(diǎn)部位的應(yīng)力增加明顯，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，下部開(kāi)挖對(duì)上部區(qū)域的應(yīng)力擾動(dòng)逐漸減弱。開(kāi)挖過(guò)程中，主廠房及主變室頂拱及其邊墻最大拉應(yīng)力達(dá)1.06 MPa，發(fā)生在第7級(jí)開(kāi)挖結(jié)束時(shí)主廠房上游墻2 542.0 m高程處，在9級(jí)開(kāi)挖結(jié)束拉應(yīng)力也達(dá)0.97 MPa，最大主壓應(yīng)力達(dá)23.14 MPa，發(fā)生在第9級(jí)開(kāi)挖結(jié)束時(shí)主廠房頂拱位置。在主廠房頂拱，在洞室拐角、洞室連接處及交叉部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。在第8級(jí)開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，在2 524.75 m高程、主廠房下游側(cè)墻出現(xiàn)了較大的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，主壓應(yīng)力量值達(dá)22.90 MPa，在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中主壓應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)巖石的抗壓強(qiáng)度，均滿足巖體的強(qiáng)度參數(shù)要求。

4.3 洞周?chē)鷰r塑性區(qū)變化規(guī)律

3號(hào)機(jī)組在支護(hù)情況下中剖面塑性區(qū)分布見(jiàn)圖8。隨著整個(gè)洞室群分布開(kāi)挖的進(jìn)行，邊墻不斷增高，在主廠房、主變室、母線洞的頂拱、邊墻及洞室交叉部位出現(xiàn)了不同范圍的塑性區(qū)，加劇了塑性區(qū)破壞范圍。開(kāi)挖結(jié)束后受F269斷層的影響，主廠房上游墻與其相交的部位塑性區(qū)的最大延伸深度達(dá)7.0 m，主廠房下游墻與其相交的部位塑性區(qū)深度在6.0 m左右。主廠房底部受F263斷層影響，出現(xiàn)深度為6.0 m以內(nèi)的塑性區(qū)。主變室頂拱受F513斷層影響，塑性區(qū)深度在5.0 m以內(nèi)。

圖8 3號(hào)機(jī)組中剖面塑性區(qū)分布

5 結(jié) 論

根據(jù)拉哇地下廠房洞室三維穩(wěn)定分析可得：拉哇水電站主要洞室圍巖變形、應(yīng)力、塑性區(qū)最大值均出現(xiàn)在斷層與邊墻及頂拱相交部位。圍巖變形趨勢(shì)為頂拱下沉，邊墻向內(nèi)變形，主廠房最大水平位移達(dá)74.44 mm，主變室最大水平位移達(dá)35.95 mm。開(kāi)挖過(guò)程中最大主拉應(yīng)力達(dá)1.06 MPa，最大主壓應(yīng)力達(dá)23.14 MPa，均滿足巖體的強(qiáng)度參數(shù)要求。在主廠房、主變室及洞室交叉等部位出現(xiàn)了不同范圍的塑性區(qū)，相鄰洞室間沒(méi)有出現(xiàn)貫通塑性區(qū)，塑性區(qū)范圍在錨索及錨桿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度控制范圍之內(nèi)。主廠房頂拱、邊墻及洞室交叉部分區(qū)域穩(wěn)定性相對(duì)較低，在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果適當(dāng)調(diào)整支護(hù)方案。