新疆阜康抽水蓄能電站主廠房頂拱塊體穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計(jì)

景 浩,艾 飛

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071)

0 前 言

抽水蓄能電站地下洞室在開挖過程中,圍巖所處的靜力平衡被打破,巖塊可能沿著結(jié)構(gòu)面向臨空方向運(yùn)動(dòng),發(fā)生失穩(wěn)[1]。尤其是洞室頂拱,容易發(fā)生冒落掉塊現(xiàn)象,對(duì)施工人員和設(shè)備安全造成威脅[2-3]。1985年,Goodman和石根華提出的塊體理論可以有效解決結(jié)構(gòu)面和臨空面組合形成的塊體穩(wěn)定性問題[4-5]。二十多年來,塊體理論被廣泛運(yùn)用到包括三峽工程在內(nèi)的各大水電站地下洞室工程建設(shè)中[6-8]。塊體理論也在工程實(shí)踐中得到了進(jìn)一步的發(fā)展和外延。石廣斌等提出了地下洞室塊體穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用[9];張雨霆等提出了基于數(shù)值分析的巖石塊體穩(wěn)定性分析一般性方法[10];周揚(yáng)一等利用極限平衡法及強(qiáng)度折減法兩種方法計(jì)算了塊體的安全系數(shù),并對(duì)兩種方法進(jìn)行了對(duì)比分析[11];楊東升等提出了基于BIM技術(shù)的水電站地下洞室定位關(guān)鍵塊體分析方法[12];張爭(zhēng)等進(jìn)行了塊體穩(wěn)定性影響因素的敏感性分析[13]。對(duì)于結(jié)構(gòu)面未貫通的可移動(dòng)塊體,鄭銀河等將巖橋抗剪力放入塊體穩(wěn)定性計(jì)算中[14];郭牡丹等提出巖橋貫通強(qiáng)度及貫通準(zhǔn)則,并運(yùn)用到塊體搜索及穩(wěn)定性計(jì)算中[15]。水電站地下洞室開挖會(huì)形成臨空面,可能會(huì)產(chǎn)生掉塊、滑動(dòng)等局部失穩(wěn)破壞,給工程建設(shè)帶來不利影響,通過塊體分析,準(zhǔn)確判斷和預(yù)測(cè)各種塊體穩(wěn)定性,對(duì)安全施工有重要意義。

阜康抽水蓄能電站地質(zhì)編錄資料顯示,地下廠房區(qū)斷層與裂隙較發(fā)育,不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面相互切割,形成不同大小、各種形狀的塊體。尤其在地下廠房第一層開挖后,弧形臨空面與貫穿型結(jié)構(gòu)面的不同組合,容易形成懸吊型不穩(wěn)定塊體,在重力作用下,可能出現(xiàn)冒落的現(xiàn)象,主廠房中導(dǎo)洞開挖現(xiàn)場(chǎng) 如圖1所示。若不能在第一層開挖時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取加固措施,將對(duì)后續(xù)下臥施工與電站運(yùn)營(yíng)帶來安全隱患與處置難度。此外,由于工程建設(shè)的需要,在保證安全的前提下盡可能對(duì)洞室圍巖支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。因此,對(duì)塊體的穩(wěn)定性分析與錨固措施校核是很有必要的。

本文根據(jù)開挖揭露的阜康抽水蓄能電站主廠房地質(zhì)編錄資料,對(duì)主廠房頂拱的圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)措施進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),搜索關(guān)鍵塊體,找出關(guān)鍵塊體,并計(jì)算其大小規(guī)模、埋深等,分析其失穩(wěn)模式分析,對(duì)現(xiàn)有錨固措施進(jìn)行校核,并提出支護(hù)措施,對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

新疆阜康抽水蓄能電站是國(guó)內(nèi)第一個(gè)采用EPC建設(shè)模式的抽水蓄能電站,為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站,工程位于新疆昌吉回族自治州阜康市境內(nèi)。電站裝機(jī)容量1 200 MW(4×300 MW),設(shè)計(jì)年發(fā)電量24.1億kWh,設(shè)計(jì)年抽水用電量32.13億kWh,綜合效率約為75%。輸水系統(tǒng)采用“1洞2機(jī)”布置型式,水平距離約為1 815 m。主廠房、主變洞及尾閘室三大洞室采用平行布置方式,地下廠房洞室群布置如圖2所示。主廠房埋深263 m左右,縱軸線方向NE20°,開挖尺寸185.50 m×24.30(26.10)m×56.30 m(長(zhǎng)×寬×高),巖錨梁以上最大開挖跨度26.10 m。

圖2 阜康抽水蓄能電站地下廠房洞室群布置

1.2 圍巖結(jié)構(gòu)特征

主廠房部位出露巖性為灰黑色、灰綠色硅質(zhì)巖夾砂巖(C2-2),中厚層為主,層厚一般20～50 cm。巖層產(chǎn)狀NW270°～275°,NE∠30°～40°,巖層走向與廠房軸線方向呈大角度相交(70°～75°),巖體微風(fēng)化～新鮮,斷層影響帶附近巖體強(qiáng)～弱風(fēng)化。

1.3 節(jié)理裂隙發(fā)育特征

根據(jù)主廠房第一層開挖揭露的斷層節(jié)理裂隙資料,主廠房第一層開挖地質(zhì)編錄如圖3所示,繪制出主廠房第一層裂隙統(tǒng)計(jì)如圖4所示。主廠房部位斷裂構(gòu)造較發(fā)育,優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面主要包括3組:

圖3 阜康抽水蓄能電站主廠房第一層開挖地質(zhì)編錄

圖4 阜康抽水蓄能電站主廠房第一層開挖斷層節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)

(1) 組走向NW270°～275°,傾向NE,中傾角為主,一般30°～45°,多以層間斷層為主,規(guī)模相對(duì)較小,較發(fā)育,一般寬3～30 cm,面較平直、較光滑,充填碎裂巖、巖粉、泥質(zhì)等。

(2) 組走向NW310°～330°,傾向NE/SW,中陡傾角為主,一般30°～75°,發(fā)育,一般寬5～50 cm,個(gè)別規(guī)模相對(duì)較大,充填碎裂巖、斷層泥等。

(3) 組走向NW340°～N,傾向SW,少量?jī)ANE,中陡傾角為主,一般50°～90°,較發(fā)育,規(guī)模相對(duì)較大,面較平直、較光滑,充填碎裂巖、斷層泥等。同時(shí)發(fā)育多組節(jié)理,延伸較短,但分布較廣。走向多與層面平行或垂直,發(fā)育間距5～20 cm,傾角一般25°～40°,部分陡傾。

1.4 圍巖分類特征

根據(jù)開挖揭露的圍巖巖性、結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況及地下水活動(dòng)性等,對(duì)地下廠房第一層洞室圍巖進(jìn)行了分類,圍巖分類如圖5所示。由圖5可知,廠房頂拱圍巖兩端較差,中間較好,圍巖以Ⅱ～Ⅲ類為主,少量Ⅳ類。其中Ⅱ類圍巖占比25.3%;Ⅲ1類圍巖占比45.8%;Ⅲ2類圍巖比23.5%;Ⅳ類圍巖占比5.4%。

圖5 阜康抽水蓄能電站主廠房圍巖分類

1.5 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)特征

主廠房各類斷層及裂隙力學(xué)參數(shù)建議值如表1所示。

表1 阜康抽水蓄能電站主廠房斷層及裂隙力學(xué)參數(shù)

2 塊體穩(wěn)定性分析方法

塊體理論首先將結(jié)構(gòu)面和開挖臨空面看成空間平面,塊體是由空間平面構(gòu)成的幾何凸體,將各種作用荷載看成空間向量,應(yīng)用幾何方法(拓?fù)鋵W(xué)和集合論)研究在已知各空間平面方位的條件下,巖體內(nèi)可形成的塊體類型及其可動(dòng)性。然后通過靜力平衡計(jì)算,求出各類可移動(dòng)塊體的滑動(dòng)力及安全系數(shù),作為工程加固措施的設(shè)計(jì)依據(jù)。在此重點(diǎn)介紹拱頂懸吊型塊體的分析方法。

2.1 塊體幾何識(shí)別

塊體幾何識(shí)別主要是分析結(jié)構(gòu)面和工程開挖面能否相互切割形成封閉空間體?；谕?fù)鋵W(xué)原理,通過赤平投影和矢量運(yùn)算方法研究結(jié)構(gòu)面與臨空面來分析洞室開挖后可能形成的塊體。通過引入開挖錐(EP)、節(jié)理錐(JP)、空間錐(SP)進(jìn)行塊體有限性判斷,達(dá)到塊體識(shí)別的目的。塊體有限的充分必要條件為:

JP∩EP=?

(1)

2.2 塊體可動(dòng)性判斷

圖6為不同失穩(wěn)方式塊體可動(dòng)性分析示意圖。對(duì)于懸吊型塊體,當(dāng)塊體冒落時(shí),運(yùn)動(dòng)方向Sd與主動(dòng)力合力r一致,即:

圖6 塊體可動(dòng)性分析

Sd=r

(2)

且

?i/(r·ni)0

(3)

式中:ni為結(jié)構(gòu)面i指向塊體內(nèi)部的單位法向量。

2.3 未貫通結(jié)構(gòu)面及假設(shè)剪裂面力學(xué)參數(shù)

根據(jù)主廠房第一層開挖實(shí)際揭露的地質(zhì)情況,在定位塊體識(shí)別過程中會(huì)考慮非貫通性的結(jié)構(gòu)面及頂拱兩側(cè)邊墻處假設(shè)拉裂面。對(duì)于頂拱的懸吊型塊體,在塊體潛在失穩(wěn)過程中不存在作用于結(jié)構(gòu)面上的法向正應(yīng)力,結(jié)構(gòu)面的摩擦強(qiáng)度不產(chǎn)生阻滑效果,只有黏聚力產(chǎn)生作用。因此,在塊體穩(wěn)定性計(jì)算中需要考慮未貫通結(jié)構(gòu)面及假設(shè)剪裂面的黏聚力c*A(黏聚力*接觸面面積)對(duì)塊體的阻滑作用,其黏聚力根據(jù)連通率大小取值,選取黏聚力的最小值400 kPa作為連通率為0%時(shí)對(duì)應(yīng)的計(jì)算參數(shù),連通率按5%遞增至100%,在連通率為100%時(shí),黏聚力為0。在塊體穩(wěn)定性計(jì)算過程中,根據(jù)圍巖地質(zhì)條件和節(jié)理裂隙發(fā)育狀況,選取不同的連通率以及其對(duì)應(yīng)的黏聚力。圍巖類別高的區(qū)域,節(jié)理裂隙相對(duì)發(fā)育,因此,假設(shè)剪裂面的連通率也相應(yīng)取高值。

2.4 塊體穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)NB/T 35090-2016《水電站地下廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定,采用剛體極限平衡法計(jì)算圍巖塊體穩(wěn)定時(shí),懸吊型塊體穩(wěn)定安全系數(shù)可按下列方法計(jì)算:

K=Pv/G

(4)

式中:K為塊體穩(wěn)定性安全系數(shù);G為塊體重力,kN;Pv為原設(shè)計(jì)錨桿、錨索在鉛垂向的設(shè)計(jì)支護(hù)力,kN。

根據(jù)本工程的實(shí)際情況,針對(duì)未完全貫通的結(jié)構(gòu)面以及假設(shè)剪裂面組合形成的懸吊型塊體,在不考慮支護(hù)、考慮原設(shè)計(jì)支護(hù)、考慮追加支護(hù)3種條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)如式(4)～(6)所示:

(1) 不考慮支護(hù)條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式:

(5)

式中:K0為不考慮支護(hù)條件下的穩(wěn)定安全系數(shù);R(·) 為塊體抗滑力,kN;S(·)為塊體下滑力,kN;ci為塊體的第i個(gè)結(jié)構(gòu)面的黏聚力,kPa;Ai為塊體的第i個(gè)結(jié)構(gòu)面在塊體中的表面積,m2;n為計(jì)算中考慮的結(jié)構(gòu)面?zhèn)€數(shù);i為所考慮的結(jié)構(gòu)面序號(hào),i= 1,2,…,n。

(2) 考慮原設(shè)計(jì)支護(hù)條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式:

(6)

式中:Kv為考慮原設(shè)計(jì)支護(hù)條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)。

(3) 考慮追加支護(hù)后的穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式:

(7)

式中:Kz為考慮追加支護(hù)后的穩(wěn)定安全系數(shù);Pz為追加的錨桿、錨索在鉛垂向的設(shè)計(jì)支護(hù)力,kN。

2.5 塊體穩(wěn)定最小安全系數(shù)要求

根據(jù)NB/T 35090-2016《水電站地下廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于塊體穩(wěn)定最小安全系數(shù)的規(guī)定(如表2所示),在持久工況下,阜康抽水蓄能電站工程懸吊型塊體穩(wěn)定最小安全系數(shù)為2.00。

表2 塊體穩(wěn)定最小安全系數(shù)

2.6 塊體穩(wěn)定性分析流程

塊體穩(wěn)定性分析流程如圖7所示。

圖7 塊體穩(wěn)定性分析

3 塊體穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.1 塊體分布情況

根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)編錄資料,對(duì)主廠房第一層開挖頂拱結(jié)構(gòu)面可能切割形成的關(guān)鍵塊體進(jìn)行了詳盡的分析,塊體幾何尺寸如表3所示,塊體空間位置如圖8所示?？傮w來看,主廠房頂拱結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體的破壞模式均為頂拱冒落,形成的塊體體積在236.16～995.43 m3,最大埋深在3.74～7.85 m。

表3 主廠房頂拱開挖塊體信息

圖8 主廠房第一層開挖頂拱塊體空間幾何形態(tài)分布

3.2 關(guān)鍵塊體穩(wěn)定性分析及支護(hù)措施

不考慮支護(hù)、考慮原設(shè)計(jì)支護(hù)、考慮追加支護(hù)3種條件下的塊體穩(wěn)定安全系數(shù)結(jié)果如表4所示。其中,所建議的連通率是在綜合分析塊體圍巖類別、結(jié)構(gòu)面特征以及敏感性計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上確定的。表4也顯示了為了是塊體穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到規(guī)范要求2.0所需錨索支護(hù)的數(shù)量。圖9顯示的是塊體追加錨索支護(hù)所在的位置。

表4 主廠房第一層開挖塊體追加支護(hù)方案推薦

圖9 主廠房第一層開挖頂拱塊體支護(hù)措施

4 支護(hù)效果驗(yàn)證

為了保證地下洞室圍巖穩(wěn)定,根據(jù)洞室地質(zhì)條件,在多個(gè)斷面開展監(jiān)測(cè)工作。位于廠左0+001.25頂拱中心線上的多點(diǎn)位移計(jì)M403-CFA1在主廠房第一層中導(dǎo)洞開挖完成后于2019年7月10日布設(shè),該測(cè)點(diǎn)位于塊體ZC1-2和ZC1-3附近。多點(diǎn)位移計(jì)M403-CFA1位移監(jiān)測(cè)曲線如圖10所示,隨著第一層擴(kuò)挖,表層0～2 m圍巖變形快速增加,達(dá)到14 mm,深部的區(qū)域圍巖變形較小,在2 mm左右;后續(xù)第二、三層開挖,對(duì)圍巖變形影響較小,表明根據(jù)表4中所列結(jié)果追加錨索支護(hù)后拱頂塊體及周邊圍巖目前趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 主廠房頂拱多點(diǎn)位移計(jì)M403-CFA1位移監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié) 論

通過對(duì)阜康抽水蓄能電站主廠房頂拱塊體穩(wěn)定性分析,可以得到以下結(jié)論:

(1) 阜康抽水蓄能電站地質(zhì)編錄資料顯示,地下廠房第一層開挖后,弧形臨空面與貫穿型結(jié)構(gòu)面的不同組合,容易形成懸吊型不穩(wěn)定塊體,在重力作用下,可能出現(xiàn)冒落的現(xiàn)象。

(2) 通過塊體定位分析,主廠房頂拱結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體的破壞模式均為頂拱冒落,形成的塊體體積在236.16～995.43 m3,最大埋深在3.74～7.85 m。

(3) 在考慮未貫通結(jié)構(gòu)面及假設(shè)剪裂面的黏聚力對(duì)塊體的阻滑作用的基礎(chǔ)上,對(duì)塊體進(jìn)行穩(wěn)定性分析,獲得塊體穩(wěn)定性安全系數(shù)。為達(dá)到規(guī)范要求2.0穩(wěn)定性安全系數(shù),所需錨索支護(hù)的數(shù)量為2～5根。

(4) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,通過錨索支護(hù)之后拱頂塊體及周邊圍巖目前趨于穩(wěn)定狀態(tài)。