葉巴灘水電站廠房頂拱圍巖穩(wěn)定分析及開挖支護(hù)設(shè)計(jì)研究

鄭詠琎，何建華

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

葉巴灘水電站位于四川白玉縣與西藏貢覺縣交界的金沙江干流降曲河口以下約350 m河段上，是金沙江上游規(guī)劃13級(jí)開發(fā)方案中的第7級(jí)。其引水發(fā)電建筑物總體布置上采用“單機(jī)單管”供水，地下廠區(qū)主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室三大洞室采用平行布置，1～4號(hào)大機(jī)組尾水系統(tǒng)“兩機(jī)一室一洞”，5～6號(hào)泄放生態(tài)流量機(jī)組尾水洞與導(dǎo)流洞結(jié)合布置。廠內(nèi)安裝4臺(tái)單機(jī)容量為510 MW的水輪發(fā)電機(jī)組和2臺(tái)互為備用單機(jī)容量200 MW的生態(tài)流量泄放機(jī)組，總裝機(jī)2 240 MW。圖1為葉巴灘地下廠房洞室群平面布置。

圖1 葉巴灘地下廠房洞室群平面布置(單位：m)

廠房主機(jī)間、副廠房和安裝間按“一”字型布置，安裝間和副廠房分別布置在主機(jī)間的兩端，安裝間布置在主機(jī)間的右側(cè)，副廠房布置在主機(jī)間左側(cè)。廠房頂拱高程為2 729.0 m，主廠房長(zhǎng)度為243 m，其中，主機(jī)間長(zhǎng)度183.8 m，安裝間長(zhǎng)度59.2 m，吊車梁以上開挖斷面跨度為28.5 m，吊車梁以下開挖斷面跨度為25.9 m；副廠房長(zhǎng)度25 m，開挖斷面跨度25.9 m。

2 地質(zhì)條件

2.1 斷層結(jié)構(gòu)面

引水發(fā)電工程壓力管道、地下廠房三大洞室及尾水洞上半段巖性為石英閃長(zhǎng)巖，尾水洞下半段及尾水出口巖性為花崗閃長(zhǎng)巖，巖石堅(jiān)硬。據(jù)地表調(diào)查及平洞揭示，引水發(fā)電工程范圍內(nèi)斷層較發(fā)育，斷層破碎帶寬度大于1 m的Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面主要有F2、F3、F4共3條，延伸長(zhǎng)度大于1 000 m；斷層破碎帶寬度0.1～1 m的Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面共揭示74條，延伸長(zhǎng)度一般數(shù)百米；斷層破碎帶寬度小于0.1 m的Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面揭示數(shù)百條，延伸長(zhǎng)度一般數(shù)十米至百米。對(duì)廠房頂拱影響較大的Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面有F2和F4，Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面有f91、f90、f85等，斷層結(jié)構(gòu)面及其性狀見表1和表2。廠房頂拱斷層發(fā)育情況及推測(cè)地質(zhì)圍巖分類見圖2。由此可以看出，廠房頂拱斷層較發(fā)育，副廠房段斷層分布較多，需加強(qiáng)支護(hù)。

圖2 廠房頂拱斷層發(fā)育情況及地質(zhì)圍巖分類(推測(cè))

表1 廠房頂拱Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面斷層統(tǒng)計(jì)

表2 廠房頂拱Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面斷層統(tǒng)計(jì)

2.2 地應(yīng)力

前期地下廠房的12組地應(yīng)力測(cè)試成果顯示，地應(yīng)力最大主應(yīng)力37.57 MPa(見圖3)。地應(yīng)力分布特征如下：

圖3 主應(yīng)力-水平埋深關(guān)系(注：統(tǒng)計(jì)時(shí)剔除了異常數(shù)據(jù))

①地應(yīng)力測(cè)試表明，σ1量值為16.51～37.57 MPa，平均值約24.31 MPa，地下廠房區(qū)域內(nèi)水平埋深200 m以內(nèi)，介于22.34～37.57 MPa。σ1方位為N82°E～N54°W，σ1方位平均為N80.4°W，總體傾向河谷，與區(qū)域構(gòu)造主壓應(yīng)力方向較為接近。

②根據(jù)孔徑變形法平面應(yīng)力分解成果，σH優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹75°W～EW，與河流近垂直，也與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向大體一致，σv優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榻黃N～N15°E(W)，近平行河流方向。水平埋深200 m以內(nèi)σH>σv，巖體應(yīng)力以水平向擠壓為主，且σv遠(yuǎn)大于自重應(yīng)力，表明巖體應(yīng)力場(chǎng)以區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力為主。水平埋深200 m以外，σH與σv相差不大，σv大于自重應(yīng)力，巖體應(yīng)力場(chǎng)由區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力疊加形成，并且明顯受到了河谷岸坡地形的影響。總體來看，地下廠房區(qū)域?qū)儆诟咂珮O高地應(yīng)力區(qū)。

③結(jié)合地下廠區(qū)巖石強(qiáng)度分析，廠房、主變室以及尾水調(diào)壓室圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比一般介于1.5～3之間。地下洞室圍巖強(qiáng)度參數(shù)建議值見表3。

表3 地下洞室圍巖強(qiáng)度參數(shù)建議值

2.3 地下水

廠址區(qū)除斷層帶具一定透水性外，裂隙一般透水性較弱，屬基巖裂隙水。由于河谷深切，岸坡陡峻，地表水入滲困難，補(bǔ)給水源有限，岸坡排泄條件良好，因此地下水位埋藏較深，總體上地下水補(bǔ)給河水。巖體中地下水一般在斷層破碎帶附近出露，以滲水～滴水為主，局部線狀流水。在斷層、裂隙密集帶附近時(shí)，巖體滲滴水現(xiàn)象普遍，局部線狀流水，地下水補(bǔ)給來源較深、補(bǔ)給量較小。

3 開挖支護(hù)設(shè)計(jì)

為了保證廠房頂拱圍巖穩(wěn)定性，工程采取了加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度的措施，即采用初噴鋼纖維CF30混凝土8 cm，復(fù)噴C25混凝土12 cm和掛網(wǎng)鋼筋A(yù)8@15 cm×15 cm，對(duì)適應(yīng)高地應(yīng)力地質(zhì)條件有較好的效果[1]。頂拱采用預(yù)應(yīng)力錨桿和帶墊板的砂漿錨桿相結(jié)合的方式，采用帶墊板的砂漿錨桿(C32，L=9 m)與預(yù)應(yīng)力錨桿(C32，T=120 kN，L=9 m)間隔布置。在Ⅲ類圍巖中，間排距為1.2 m，在Ⅳ、Ⅴ類圍巖中，間排距為1.0 m[2]。確保錨桿與圍巖共同作用，形成整體受力，及時(shí)主動(dòng)為圍巖提供支護(hù)抗力，提高軟弱結(jié)構(gòu)面和塌滑面的抗剪強(qiáng)度[3]。帶墊板的錨桿可以增加巖面的受力面積，避免應(yīng)力過大造成破壞。為了避免高地應(yīng)力調(diào)整中未及時(shí)支護(hù)造成破壞現(xiàn)象，要求進(jìn)行及時(shí)支護(hù)[4]。廠房頂拱錨桿布置如圖4所示。

圖4 廠房頂拱錨桿布置

主副廠房上層錨索采用“T=2 500 kN，L=30.0 m”和“T=2 000 kN，L=25.0 m”兩種規(guī)格，交錯(cuò)布置，采用鋼錨墩[5]。將系統(tǒng)錨索布置于拱腳處，上下游各4排，間排距3～4 m。由于副廠房段地質(zhì)條件較差，因此在副廠房段加密錨索布置，并針對(duì)斷層f85設(shè)置兩排斷層部位加強(qiáng)錨索。主副廠房頂拱系統(tǒng)錨索布置見圖5，斷層部位加強(qiáng)錨索布置見圖6。

圖5 廠房頂拱錨索布置

圖6 廠房頂拱斷層部位加強(qiáng)錨索布置

4 圍巖穩(wěn)定計(jì)算分析

采用FLAC 3D軟件，對(duì)圍巖位移分布、高應(yīng)力集中區(qū)分布和塑性區(qū)分布情況進(jìn)行計(jì)算分析[6]。無系統(tǒng)支護(hù)和有系統(tǒng)支護(hù)條件下，這三種指標(biāo)的分布規(guī)律類似。

圖7為上層開挖時(shí)洞室群位移分布特征。總體上，地下洞室群圍巖變形量級(jí)相對(duì)不大，但是受斷層f91、F4、f90、f9、f85、f89、f87、f88等部位影響的變形量級(jí)和范圍都顯著增大。系統(tǒng)支護(hù)條件下，洞室群圍巖變形量明顯較小，尤其是受f91、F4、f90、f9、f85、f89、f87、f88等部位影響，圍巖變形大于100 mm的范圍顯著降低，體現(xiàn)了系統(tǒng)支護(hù)對(duì)控制圍巖變形的作用。

圖8為4號(hào)機(jī)組剖面大主應(yīng)力σ1的分布特征。由圖8可以看出，主廠房頂拱拱腳位置為應(yīng)力集中分布區(qū)。廠房頂拱是圍巖應(yīng)力集中大于40 MPa的主要分布區(qū)域，應(yīng)力集中區(qū)分布與斷層有明顯的相關(guān)性。

圖9為4號(hào)機(jī)組剖面塑性區(qū)分布特征。無系統(tǒng)支護(hù)時(shí)，廠房頂拱塑性區(qū)深度一般為3～5 m，受斷層切割部位塑性區(qū)深度為6～9 m；廠房邊墻塑性區(qū)深度一般為10～15 m，受斷層切割部位塑性區(qū)深度一般為16～28 m，塑性區(qū)體積為132.1萬m3。有系統(tǒng)支護(hù)時(shí)，廠房頂拱塑性區(qū)深度一般為2～4 m，受斷層切割部位塑性區(qū)深度為5～8 m；廠房邊墻塑性區(qū)深度一般為7～12 m，受斷層切割部位塑性區(qū)深度一般為14～20 m，塑性區(qū)體積為106.64萬m3。由此可以看出，主廠房頂拱拱腳處塑性區(qū)較明顯，系統(tǒng)支護(hù)減小了圍巖塑性區(qū)深度。

(a)無系統(tǒng)支護(hù)時(shí) (b)有系統(tǒng)支護(hù)時(shí)

(a)無系統(tǒng)支護(hù)時(shí) (b)有系統(tǒng)支護(hù)時(shí)

(a)無系統(tǒng)支護(hù)時(shí) (b)有系統(tǒng)支護(hù)時(shí)

5 結(jié) 語

本文以葉巴灘水電站工程為例，結(jié)合工程地質(zhì)條件，闡述了廠房頂拱的開挖支護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，并結(jié)合地質(zhì)條件和計(jì)算結(jié)果，得出如下結(jié)論。

(1)對(duì)廠房頂拱影響較大的Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面有F2和F4，Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面有f91、f90、f85等。廠房頂拱斷層較發(fā)育，副廠房段斷層分布較多，廠區(qū)地應(yīng)力較高，沿?cái)鄬拥冉Y(jié)構(gòu)面地下水豐富。

(2)廠房頂拱采用噴混凝土、鋼筋掛網(wǎng)和“錨桿+錨索”的支護(hù)方式，并將系統(tǒng)支護(hù)和斷層部位加強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合。在Ⅳ、Ⅴ類圍巖區(qū)域加密系統(tǒng)支護(hù)，在副廠房段加強(qiáng)系統(tǒng)支護(hù)，并針對(duì)斷層布置兩排加強(qiáng)錨索，從而確保圍巖穩(wěn)定性。

(3)通過有限差分軟件計(jì)算得出，主廠房頂拱拱腳處應(yīng)力較為集中且塑性區(qū)更明顯，因此，在此處加強(qiáng)支護(hù)的措施是合理的。系統(tǒng)支護(hù)減小了圍巖變形和塑性區(qū)深度，保證了圍巖穩(wěn)定性。

(4)鑒于工程的復(fù)雜性，在施工過程中，頂拱支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)開挖揭示的地質(zhì)情況及監(jiān)測(cè)檢測(cè)成果，進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。