卡拉水電站主廠房與主變洞間距優(yōu)化研究

彭浩洋，楊 洋，方 丹，陳 斌，王應(yīng)明

(1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051；2. 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引 言

鑒于地下洞室群地質(zhì)條件復(fù)雜，洞室結(jié)構(gòu)形式多樣，加之圍巖應(yīng)力、變形受開挖和支護(hù)施工影響強(qiáng)烈，因此，目前研究大多采用分析高效、成本低廉且計(jì)算靈活的數(shù)值模擬法進(jìn)行洞室群間距優(yōu)化分析[7-10]。在水利水電工程中，洞室群間距優(yōu)化也是工程中常常面臨的關(guān)鍵問題。卞志兵等[11]采用FLAC3D軟件并考慮了巖脈條件下應(yīng)力、位移以及塑性區(qū)的分布特征，最終確定了惠州抽水蓄能電站主廠房與主變洞的合理間距。張明等[12]采用FLAC2D確定了官地水電站主廠房與主變室、尾調(diào)室間距分別為49 m和140 m的“一”字形布局方案。王帥等[13]采用3D-Sigma模擬了5種洞室群模型開挖過程中圍巖應(yīng)力場變化規(guī)律，得到新疆某水電站洞室群的洞間距設(shè)計(jì)以大于2倍洞半徑為宜。上述研究表明，地下洞室群間距的優(yōu)化分析對于圍巖穩(wěn)定性具有重要意義，特別是大型地下廠房洞室群，由于其建筑物安全等級高、規(guī)模大、布置復(fù)雜，洞室群間距優(yōu)化往往是工程建設(shè)中關(guān)注的重點(diǎn)。

本文基于卡拉水電站地下廠房洞室群間距優(yōu)化的實(shí)際工程案例，首先介紹了卡拉水電站的工程概況、地下廠房的地質(zhì)條件和面臨的工程難點(diǎn)；其次建立了4種不同間距洞室群的3DEC計(jì)算模型，分析了主廠房與主變洞在不同間距下的圍巖變形、應(yīng)力及塑性區(qū)分布特征；最后提出了卡拉水電站主廠房與主變洞的合理間距。

1 地下廠房區(qū)域工程地質(zhì)條件

1.1 工程簡介

卡拉水電站位于四川省涼山彝族自治州木里藏族自治縣境內(nèi)，是雅礱江中游兩河口～卡拉河段水電開發(fā)規(guī)劃一庫七級的第七級水電站。壩址區(qū)位于木里縣卡拉鄉(xiāng)下田鎮(zhèn)村上游約4 km處，上距楊房溝水電站33 km，下距錦屏一級水電站60 km。

卡拉水電站樞紐工程主要由碾壓混凝土重力壩(壩高123 m)、壩身泄洪建筑物、壩下消力池及右岸引水發(fā)電等建筑物組成。地下廠房洞群布置在右岸山體內(nèi)，主要由主副廠房洞、母線洞、主變洞、引水隧洞及尾水隧洞等組成。主副廠房洞開挖尺寸219.5 m×27.6 m/25 m×75.77 m(長×寬×高)；主變洞開挖尺寸為167 m×16.5 m×34.5 m(長×寬×高)。

1.2 地下廠房與主變洞地質(zhì)條件

地下廠房上覆巖體厚度為122～305 m，圍巖中含碳質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖互層，巖性相對軟弱，分布在安裝場段至4號機(jī)組廠房頂拱一帶，頂拱處出露寬53m，安裝場只在局部頂拱出露。與地下廠房相交的構(gòu)造有22條，其中Ⅱ級結(jié)構(gòu)面2條，分別為F75、F152；Ⅲ級結(jié)構(gòu)面分布有5條；Ⅳ結(jié)構(gòu)面分布有15條。地下廠房圍巖Ⅲ1類占39.82%；Ⅲ2類占43.62%；Ⅳ～Ⅴ類占16.56%。

主變洞上覆巖體厚度為69～256 m。與主變洞相交的構(gòu)造有18條，其中Ⅱ級結(jié)構(gòu)面1條，為F152；Ⅲ級結(jié)構(gòu)面分布有6條；Ⅳ結(jié)構(gòu)面分布有11條。主變洞圍巖Ⅲ1類占45.04%；Ⅲ2類占37.54%；Ⅳ～Ⅴ類占17.42%。

1.3 地下廠房建設(shè)面臨的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

卡拉水電站地下廠房洞室群埋深淺，地質(zhì)條件復(fù)雜，對廠房圍巖穩(wěn)定影響較大，施工期變形安全風(fēng)險(xiǎn)突出。主要面臨如下難點(diǎn)：

(1)地下廠房區(qū)域由于巖體強(qiáng)度和巖體變形模量相對較低，而最大主應(yīng)力約為10 MPa(實(shí)測最大主應(yīng)力約11.44 MPa)[14]，對于具有高邊墻和洞群效應(yīng)的地下廠房而言，特別是在巖性條件較軟弱、不利斷層和結(jié)構(gòu)面影響下，可能會出現(xiàn)邊墻圍巖的大變形問題。

2012年新刑訴法將英美法系“排除合理懷疑”引入到刑事訴訟證明標(biāo)準(zhǔn)之中，但異質(zhì)法律文明之間的法律移植應(yīng)當(dāng)建立在“異質(zhì)性”分析基礎(chǔ)之上，比較法意義上的法律移植更應(yīng)該注重移植地的本土化效果。通過這層語境，重新審視一下我國的“排除合理懷疑”證明標(biāo)準(zhǔn)，確實(shí)存在多重現(xiàn)實(shí)的問題。以“排除合理懷疑”為視角，我們可以充分的比較和分析我國與英美法系的“異質(zhì)性”所在，在此基礎(chǔ)之上取其精華，去其糟粕，為我國的“排除合理懷疑”的適用創(chuàng)造更為合理的環(huán)境。

(2)各大系統(tǒng)洞室(井)平面上相互貫通，空間上縱橫交錯(cuò)，大小相貫，平豎相接，且相鄰洞室間距較小，洞室圍巖穩(wěn)定相互聯(lián)系、相互制約，洞室穩(wěn)定問題突出。

(3)地下廠房區(qū)域發(fā)育的含碳質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖互層及Ⅱ級結(jié)構(gòu)面F152、F75等斷層破碎帶是影響地下洞室開挖的主要不利因素，且洞室群埋深相對較淺，施工期間安全隱患較大。

卡拉水電站主廠房與主變洞間距優(yōu)化分析時(shí)，不僅需要考慮主廠房、主變洞的高邊墻洞室變形及穩(wěn)定問題，還需要充分考慮廠區(qū)不利地質(zhì)條件，綜合得到最優(yōu)的洞室間距。

2 模型建立

2.1 計(jì)算模型

卡拉水電站地下廠房洞室群受斷層、長大裂隙和巖性條件等地質(zhì)因素影響，結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致的非連續(xù)變形問題突出。因此，本文采用3DEC離散元方法進(jìn)行主廠房與主變洞間距優(yōu)化分析?？ɡ娬镜叵聫S房洞室群計(jì)算模型見圖1。圖1包含了地下洞室群的主要洞室，如地下廠房、主變室、母線洞、尾水洞及引水隧洞等。由于地下廠房區(qū)域結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體構(gòu)造復(fù)雜，對洞室群的穩(wěn)定性具有較大影響，因此，在3DEC軟件中同時(shí)模擬了F152、f160、F75等結(jié)構(gòu)面的分布。

圖1 卡拉水電站地下廠房洞室群計(jì)算模型

2.2 計(jì)算工況與材料參數(shù)

2.2.1 計(jì)算工況

根據(jù)《水電站地下廠房設(shè)計(jì)導(dǎo)則》[15]，對于大型電站主體洞室的間距一般以40～50 m為宜。因此，為研究卡拉水電站主廠房與主變洞的最優(yōu)間距，本文計(jì)算了主廠房與主變洞4種不同凈間距的模型，分別是40、50、60 m和70 m。選擇機(jī)組中心線剖面作為間距優(yōu)化分析部位。間距比選分析結(jié)果中選取的機(jī)組剖面見圖2。圖2中，A—A、B—B、C—C及D—D剖面分別為1號、2號、3號及4號機(jī)組剖面。

圖2 間距比選分析結(jié)果中選取的機(jī)組剖面

2.2.2 材料參數(shù)

根據(jù)可研階段工程地質(zhì)勘察成果，卡拉水電站地下廠房區(qū)域巖體及主要結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)分別見表1、2。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)取值

表2 主要結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)取值

3 洞室間距優(yōu)化分析

3.1 高邊墻大變形

邊墻變形程度與洞室間的間距具有相關(guān)性，當(dāng)間距不足時(shí)，相鄰洞室的開挖會對邊墻變形產(chǎn)生影響，特別是存在大型控制性結(jié)構(gòu)面時(shí)，相鄰洞室開挖時(shí)的相互影響會變得較為復(fù)雜。

計(jì)算結(jié)果表明，地下廠房高邊墻大變形問題突出，其中以主廠房上游側(cè)邊墻變形最為顯著，局部洞段洞室變形主要受斷層影響。圖3為4種洞室間距條件下洞室開挖后2號機(jī)組B—B剖面的圍巖變形。從圖3可知，4種間距條件下，中間巖柱的變形具有差異，40 m間距時(shí)中間巖柱變形同時(shí)受到主廠房以及主變洞的開挖影響，而當(dāng)間距為60、70 m時(shí)，洞群效應(yīng)減小。40 m間距時(shí)中間巖柱的變形為25～45 mm，當(dāng)間距為60、70 m時(shí)，洞群效應(yīng)相對最小，巖柱變形為20～40 mm。為避免巖柱內(nèi)出現(xiàn)變形干擾情況，并減小母線洞長度以提高經(jīng)濟(jì)性，建議主廠房與主變洞間距設(shè)置為60 m。

圖3 不同間距開挖后位移分布特征

3.2 塑性區(qū)分布特征

當(dāng)洞室間間距不足時(shí)，鄰洞開挖不僅會對變形場產(chǎn)生影響，而且也可能造成中間巖柱屈服狀態(tài)發(fā)生變化。因此，巖柱內(nèi)屈服區(qū)的分布特征也可以作為評價(jià)洞室間距合理性的指標(biāo)之一。圖4為4種洞室間距條件下洞室開挖后2號機(jī)組B—B剖面的塑性區(qū)分布。從圖4可知，40 m間距條件下，主廠房和主變洞之間、母線洞以上部分巖柱全部處于屈服狀態(tài)；當(dāng)間距增大到60 m時(shí)，上述部位圍巖狀態(tài)得到明顯改善，中心位置的圍巖基本處于彈性狀態(tài)；當(dāng)間距為70 m，巖柱中心位置的圍巖完全處于彈性狀態(tài)。

圖4 不同間距開挖后塑性區(qū)分布特征

3.3 應(yīng)力分布特征

卡拉水電站地下廠房區(qū)域是以水平應(yīng)力為主的初始地應(yīng)力場特征，雖然應(yīng)力水平相對不高，但在地下廠房洞室群開挖建設(shè)中也需要考慮應(yīng)力集中和應(yīng)力破壞的可能性。以2號機(jī)組B—B剖面為例，40 m和60 m間距條件下各洞室開挖完成后的應(yīng)力分布見圖5、6。從圖5、6可知，頂拱和底板拐角處為應(yīng)力集中區(qū)，但應(yīng)力集中區(qū)最大主應(yīng)力約為30 MPa，不具備普遍發(fā)生應(yīng)力型破壞的條件。洞室邊墻不存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此也不會出現(xiàn)高應(yīng)力破壞問題。此外，邊墻應(yīng)力松弛區(qū)域相對較大，特別是當(dāng)洞室間距為40 m時(shí)，在主廠房和主變洞之間，2號母線洞上方一定深度范圍均存在較為明顯的應(yīng)力松弛；當(dāng)間距增大為60 m時(shí)，該區(qū)域的應(yīng)力條件有明顯改善，中間部位巖體只受母線洞本身開挖的影響，基本不受主廠房和主變洞影響。

圖6 60 m間距的應(yīng)力分布

4 結(jié) 語

本文依托卡拉水電站，采用3DEC離散元法，對主廠房和主變洞的4種間距方案進(jìn)行計(jì)算分析，得到結(jié)論如下：

(1)40 m間距時(shí)，主廠房和主變洞之間的巖柱變形為25～45 mm；間距在60、70 m時(shí)，洞群效應(yīng)相對最小，巖柱變形為20～40 mm。

(2)40 m間距時(shí)，主廠房和主變洞之間的部分巖柱全部處于屈服狀態(tài)；當(dāng)間距增大到60m時(shí)，上述部位圍巖狀態(tài)得到改善，中心位置的圍巖基本處于彈性狀態(tài)。

(3)40 m間距時(shí)，主廠房和主變洞之間的巖柱均存在較為明顯的應(yīng)力松弛；洞室間距設(shè)置為60 m時(shí)，主廠房與主變洞之間巖柱的應(yīng)力松弛明顯減小。

(4)從避免相鄰洞室變形干擾、滿足巖柱內(nèi)存在彈性區(qū)的要求、減小巖柱的應(yīng)力松弛及控制母線洞長度等方面綜合考慮，建議卡拉水電站主廠房與主變洞的合理間距設(shè)置為60 m。