烏東德水電站右岸主廠房高邊墻陡傾薄層小夾角部位巖體穩(wěn)定性調(diào)控的工程措施研究

顏其林 蔣業(yè)龍

(1.中國長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，北京 100038；2.安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000)

1 引 言

烏東德水電站位于金沙江下游，總裝機(jī)容量10200MW，多年平均發(fā)電量389.3億kW·h。電站采用地下廠房布置型式，各安裝6臺(tái)單機(jī)容量850MW的水輪發(fā)電機(jī)組。電站樞紐布置見圖1。

烏東德右岸主廠房長(zhǎng)333m，為圓拱直墻型，頂拱中心高程855.0m，機(jī)窩底板高程765.2m，高89.8m。巖錨梁臺(tái)面高程839.7m，巖錨梁以上跨度32.5m，以下跨度30.5m。由于主廠房圍巖為典型的由碳酸鹽巖構(gòu)成的層狀巖體，加之廠房大跨度高邊墻特點(diǎn)，局部洞段受小夾角陡傾巖層影響，高邊墻穩(wěn)定性問題較為突出，受小夾角巖層法向卸荷松弛作用影響，高邊墻圍巖易產(chǎn)生明顯變形及沿層面張開破壞，因此控制小夾角洞段巖體變形破壞是烏東德地下廠房建設(shè)的關(guān)鍵之處。

圖1 烏東德水電站樞紐平面布置圖

2 小夾角洞段主要工程地質(zhì)問題

2.1 工程地質(zhì)條件

烏東德右岸主廠房位于峽谷岸坡內(nèi)，其外側(cè)端墻距岸邊120m，埋深220～380m，圍巖主要為落雪組第三段厚層、中厚層夾互層及薄層灰?guī)r、白云巖、石英巖及大理巖，局部A類角礫巖及少量B類角礫巖。烏東德工程地質(zhì)平切圖見圖2。

圖2 烏東德水電站引水發(fā)電系統(tǒng)850m高程工程地質(zhì)平切圖

右岸主廠房巖層走向與廠房軸線夾角從靠江側(cè)往山內(nèi)側(cè)逐漸變大。本文定義小夾角指巖層走向與洞室軸線夾角不大于20°，開挖揭露的小夾角洞段占30%，巖性為薄層夾互層灰?guī)r及白云巖，圍巖類別為Ⅳ類。小夾角洞段分布范圍統(tǒng)計(jì)見表1，小夾角洞段的剖面及現(xiàn)場(chǎng)情況見圖3、圖4。

表1 右岸主廠房小夾角洞段位置及特征

圖3 右岸主廠房機(jī)組段小夾角層面剖面示意圖 (單位：m)

圖4 小夾角洞段情況

2.2 小夾角洞段圍巖變形及破壞機(jī)制

層狀巖體中的原生層面是中低地應(yīng)力環(huán)境下控制層狀巖體穩(wěn)定性的最關(guān)鍵因素，其空間延伸范圍大，表面通常較為平整光滑，無充填物或發(fā)育鈣膜、碳膜直至泥鈣質(zhì)、泥質(zhì)充填等，強(qiáng)度變化很大，常與其他結(jié)構(gòu)面共同構(gòu)成塊體。層狀巖體開挖后通常沿層面張開或滑移，破壞范圍逐步擴(kuò)大，同時(shí)隨著側(cè)向約束力解除逐步向深層發(fā)展。此外，爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波也會(huì)引起層面的拉張破壞。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察及數(shù)值計(jì)算分析，烏東德右岸主廠房小夾角洞段圍巖的主要破壞機(jī)制見圖5。受巖體產(chǎn)狀與開挖臨空面不利組合影響，上游邊墻順傾巖體易發(fā)生順層滑移，而下游邊墻巖錨梁頂面至起拱線邊墻部位的反傾巖體易在應(yīng)力集中情況下產(chǎn)生巖層彎折內(nèi)鼓，并伴隨有表層混凝土開裂。地應(yīng)力較高時(shí)順傾巖層也可能產(chǎn)生彎折破壞。層面在法向應(yīng)力解除后張開，導(dǎo)致薄層巖體變成兩端固定的薄板結(jié)構(gòu)，在端部應(yīng)力擠壓下產(chǎn)生彎曲，一旦彎曲應(yīng)力超過其容許值，便發(fā)生折斷并向開挖臨空面內(nèi)鼓。此外，薄層巖體的層間巖石也包含大量裂隙，一旦裂隙貫通，層間巖石易在重力作用下順層面滑移并墜落。

圖5 層狀圍巖破壞機(jī)制示意圖

3 小夾角洞段圍巖穩(wěn)定的管控措施

3.1 管理方面

a.成立參建各方共同參與的地質(zhì)工作小組，建立快速反應(yīng)機(jī)制，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)重大地質(zhì)問題處理的速度和效率。

b.根據(jù)開挖揭露的實(shí)際地質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整支護(hù)，備用一定數(shù)量帶墊板長(zhǎng)錨桿，同時(shí)將隨機(jī)支護(hù)的增設(shè)權(quán)下放至監(jiān)理以滿足現(xiàn)場(chǎng)快速支護(hù)需要。

c.匯集各方力量，邀請(qǐng)相關(guān)專家專項(xiàng)研究小夾角層面的處理方案。

3.2 開挖方面

a.嚴(yán)格按照“薄層開挖，隨層支護(hù)”的原則組織開挖，層高控制在3～5.9m，見圖6，避免巖層因一次性暴露過多造成側(cè)向變形過大。

b.采用“中部小梯段抽槽爆破、兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層光面爆破”的方法開挖，中槽開挖設(shè)置施工預(yù)裂。

c.爆破網(wǎng)絡(luò)采用單孔單響，最大單響藥量控制在20 kg以內(nèi)。爆破參數(shù)見表2，中部抽槽爆破孔間排距為3.0m×2.5m，見圖7，邊墻預(yù)留保護(hù)層4.0m，見圖8，通過控制爆破以控制巖層損傷開裂、保持巖體完整性。

圖6 主廠房開挖分層示意圖

圖7 小夾角部位中槽開挖裝藥聯(lián)網(wǎng)圖 (單位：cm)

圖8 小夾角部位保護(hù)層開挖裝藥聯(lián)網(wǎng)圖 (單位：cm)

表2 小夾角部位爆破參數(shù)

3.3 支護(hù)方面

a.盡快實(shí)施隨機(jī)錨桿進(jìn)行快速支護(hù)，控制圍巖松弛變形，然后再施工系統(tǒng)支護(hù)。及時(shí)支護(hù)有利于抑制小夾角巖層變形及開裂。

b.嚴(yán)格控制支護(hù)滯后開挖掌子面的距離和時(shí)間。隨機(jī)支護(hù)緊跟開挖面，系統(tǒng)支護(hù)滯后開挖15m以內(nèi)，3～5天完成錨桿支護(hù)，1個(gè)月內(nèi)完成錨索支護(hù)。錨桿角度隨巖層走向進(jìn)行調(diào)整，盡量垂直巖層面，有利于發(fā)揮錨桿抗拉效果，控制巖層法向卸荷松弛程度。

c.依據(jù)數(shù)值計(jì)算成果調(diào)整小夾角部位的支護(hù)參數(shù)。原設(shè)計(jì)系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)包括φ32，L=6m/9m@1.5m×1.5m的系統(tǒng)錨桿(6m為普通錨桿，9m為張拉力50kN的張拉錨桿，交錯(cuò)布置)；巖錨梁以上設(shè)2排系統(tǒng)錨索，巖錨梁以下至高程789.70m間布置T=2000kN，L=20～25m@4.5m×4.5m系統(tǒng)錨索；下游邊墻布置T=2000kN@4.5m×4.5m對(duì)穿錨索。針對(duì)小夾角部位調(diào)整后的支護(hù)設(shè)計(jì)見圖9。

圖9 主廠房設(shè)計(jì)支護(hù)剖面圖

3.4 動(dòng)態(tài)反饋分析方面

a.重視現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開挖前在廠房周邊的排水廊道中提前埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器，形成永久監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，立即停止開挖，進(jìn)行支護(hù)施工。

b.建立安全監(jiān)測(cè)管理體系，分級(jí)管理圍巖變形異常情況。監(jiān)測(cè)單位以簡(jiǎn)報(bào)形式通知參建各方，快速反應(yīng)。

c.利用數(shù)值計(jì)算對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。利用離散元軟件對(duì)小夾角洞段支護(hù)進(jìn)行復(fù)核，并對(duì)比分析了幾種優(yōu)化后的支護(hù)方案，具體計(jì)算工況見表3。

表3 小夾角洞段支護(hù)方案比選計(jì)算工況

續(xù)表

計(jì)算結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

小夾角層面對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響。夾角為10°時(shí)，方案1～4開挖完成后圍巖最大變形指標(biāo)見表4。相比無支護(hù)，系統(tǒng)支護(hù)圍巖變形最大降低25%，結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)變形降低42%，張開變形降低72%。

巖層走向與洞軸線夾角為0°、10°、20°時(shí)的邊墻最大位移見表5。相比無支護(hù)條件下的圍巖變形，系統(tǒng)支護(hù)條件下分別降低了27%、22%、16%。

小夾角層面對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響。夾角為10°時(shí)方案1～4開挖完成后圍巖塑性區(qū)指標(biāo)見表6。相比無支護(hù)，系統(tǒng)支護(hù)后塑性區(qū)深度分別下降14%、25%、9%。

表4 夾角為10°時(shí)方案1～4的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表5 不同夾角對(duì)圍巖變形的影響

表6 夾角為10°時(shí)方案1～4開挖完成后圍巖塑性區(qū)指標(biāo)

依據(jù)數(shù)值計(jì)算成果，確定右岸主廠房小夾角洞段加固方案如下：

錨桿調(diào)整。系統(tǒng)錨桿調(diào)整為T=50kN，φ32@1.5m×1.5m，L=9m張拉錨桿，其中頂拱部位范圍為起拱線以上9m。

錨索調(diào)整。上游拱座高程843.79m、840.79m兩排水平端頭錨索以及下游拱座高程840.79m一排水平對(duì)穿錨索調(diào)整為上仰20°，錨索間排距調(diào)整為3.0m×4.5m。

4 小夾角洞段圍巖穩(wěn)定的實(shí)際效果驗(yàn)證

4.1 圍巖位移監(jiān)測(cè)及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

沿右岸主廠房中心線依次布置了8個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)斷面。其中位于小夾角部位的監(jiān)測(cè)斷面有7～11號(hào)機(jī)組及副安裝場(chǎng)等6個(gè)部位，主要的監(jiān)測(cè)成果見表9。

表9 小夾角洞段圍巖監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)

2015年底右岸主廠房已經(jīng)基本開挖完成，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示小夾角部位的圍巖位移與支護(hù)受力已基本收斂，累積值在允許范圍內(nèi)，表明圍巖當(dāng)前基本穩(wěn)定，所采取的控制措施效果明顯(見圖10)。

4.2 圍巖損傷松弛程度分析

右岸主廠房小夾角洞段圍巖松弛深度物探檢測(cè)成果見表10。小夾角洞段圍巖當(dāng)前松弛深度整體在1.4～4.0m，隨著開挖的進(jìn)行松弛深度沒有明顯增加，證明當(dāng)前工程措施能有效控制圍巖損傷松弛的發(fā)育。通過采取錨桿和錨索、控制開挖高度和最大單響藥量、及時(shí)支護(hù)、加強(qiáng)動(dòng)態(tài)反饋分析等措施，小夾角部位的邊墻變形得到了很好的控制。2016年9月，右岸主廠房已開挖完成，位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及圍巖松弛深度數(shù)據(jù)證明了上述措施的合理性和有效性。

5 結(jié) 語

a.小夾角部位圍巖破壞的機(jī)理主要為：受產(chǎn)狀與開挖臨空面組合影響，薄層巖體應(yīng)力重分布，易產(chǎn)生順層滑移和彎折內(nèi)鼓等形式的破壞，并且破壞有向巖體內(nèi)部逐漸擴(kuò)展的趨勢(shì)。

b.數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，隨巖層與洞軸線夾角減小，圍巖位移與塑性區(qū)深度明顯變大，系統(tǒng)支護(hù)能夠顯著削弱巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖變形的影響，減小圍巖塑性區(qū)深度；巖層與洞軸線夾角越小，錨桿和錨索的受力越大，系統(tǒng)支護(hù)能夠有效控制圍巖變形，錨桿、錨索加密可顯著降低小夾角層面的張開變形量。

圖10 小夾角洞段典型監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)成果

表10 小夾角洞段圍巖松弛深度統(tǒng)計(jì)

c.根據(jù)陡傾小夾角層狀巖體的破壞機(jī)理及數(shù)值計(jì)算結(jié)果采取相關(guān)設(shè)計(jì)和施工控制措施，特別是加密錨桿和錨索、控制開挖高度和最大單響藥量、及時(shí)支護(hù)、加強(qiáng)動(dòng)態(tài)反饋分析等措施，小夾角部位的邊墻變形得到了很好的控制。2016年9月，右岸主廠房已開挖完成，位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及圍巖松弛深度數(shù)據(jù)證明了上述措施的合理性和有效性。