楊英，廖成剛，江波

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 概述

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內的雅礱江干流上。壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2 km 處。電站樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、左岸泄洪放空建筑物、右岸地下式引水發(fā)電建筑物組成。電站裝機容量3000 MW，多年平均年發(fā)電量102.745億kW·h。

在可研設計階段，結合壩址區(qū)的地形地質條件，經全面分析比較，將主要泄洪建筑物布置在左岸，將引水發(fā)電和導流隧洞等建筑物布置在右岸。其中，右岸地下廠房洞室群主要由主廠房(寬28.4 m×高65.3 m)、主變室(寬18.8 m×高25 m)、尾水調壓室(寬19.5 m×高63.8 m)三大洞室組成。引水建筑物采用“單機單洞”布置。尾水建筑物下游部位與兩條導流洞結合布置。

右岸地下廠房區(qū)為高地應力地區(qū)，砂板巖層面裂隙及小斷層發(fā)育。廠區(qū)水平埋深約350 m，垂直埋深400～450 m。廠區(qū)砂板巖巖石堅硬，巖體呈微風化～新鮮狀，其飽和抗壓強度大于60 MPa，巖體聲波波速一般大于5000 m/s。圍巖類別以Ⅲ1類為主、Ⅲ2類為次。

廠區(qū)小斷層主要發(fā)育有f9、f10兩組。f9斷層的產狀為NW65°～70°/SW∠65°～70°，f10斷層的產狀為NW70°/SW∠60°，其走向均與地層產狀一致。裂隙優(yōu)勢方向共有4組:J1.NW60°～70°/SW ∠60°～70°，J2.NW0°～30°/ SE ∠10°～30°，J3.NE0°～30°/ SE∠40°～60°，J4.NE0°～30°/ SE (NW)∠70°～90°。裂隙發(fā)育方向以J1、J2兩組發(fā)育為主，同一部位一般發(fā)育2～3組，裂隙間距0.2～0.6 m，延伸長2～3 m，裂面新鮮，多起伏粗糙，閉合無充填。

廠區(qū)地下水位較低，巖體含水不豐，透水性微弱。

右岸山體實測最大主應力σ1=18.09～30.44 MPa，平均為21.5MPa，最大主應力方向區(qū)間為NE20.3°～57.7°，平均NE41.9°，傾向坡外，略緩于岸坡，屬構造與重力疊加的高地應力區(qū)。

綜上所述，右岸地質條件對地下廠房的縱軸線選擇有一定的限制要求，需要結合巖層的走向、地應力的方向、水頭損失大小、與樞紐布置格局的協調等因素，在對主廠房的縱軸線方位進行全面分析比較后，最終從滿足圍巖穩(wěn)定、運行效益最優(yōu)出發(fā)，選擇出最合理的廠房縱軸線方案。

2 地下廠房位置和縱軸線選擇

2.1 廠房縱軸線方位布置原則及方案擬定

結合本工程的特點和國內大型地下廠房的布置經驗，廠房縱軸線的方位選擇應滿足樞紐建筑物之間相互協調并使水流順暢，應使廠房縱軸線與初始地應力的最大主應力方向呈較小夾角，還應與主要結構面走向呈較大夾角，以滿足圍巖穩(wěn)定要求。

根據上述布置原則，右岸地下廠房擬定了以下三個方案進行比較:

方案一:地下廠房縱軸線NE3°。

方案二:地下廠房縱軸線N25°。

方案三:地下廠房縱軸線N23°。

三個縱軸線方案對應的引水發(fā)電系統布置情況分別見圖1～3。

圖1 軸線方案一(NE3°)對應的引水發(fā)電系統平面布置圖

圖2 軸線方案二(NW25°)對應的引水發(fā)電系統平面布置圖

圖3 軸線方案三(NE23°)對應的引水發(fā)電系統平面布置圖

2.2 三個方案對應的水力條件比較

選擇較長的引水尾水管道計算水頭損失。壓力管道內徑為7.5 m，單機設計引用流量為248.6 m3/s;尾水洞斷面12 m×15 m。

三個方案6#壓力管道-2#調壓室-2#尾水洞水頭損失計算成果見表1。

從表1可見，由于方案三引水和尾水線路最長，其水頭損失最大;方案二水頭損失最小;方案一水頭損失大小居中。

2.3 與初始地應力及結構面夾角進行比較

三個方案廠房縱軸線方位與最大主應力方向以及與廠區(qū)主要結構面的夾角關系見表2。房縱軸線方位與最大主應力方向及主要結構面走向的夾角在同規(guī)模工程中居中。

表1 各縱軸線方案引水、尾水系統水頭損失計算成果表 /m

表2 廠房縱軸線與廠區(qū)主要結構面及最大主應力夾角關系表

2.4 圍巖穩(wěn)定性比較

表3為我國幾個在建、已建大型地下廠房的廠房縱軸線方位與最大主應力方向以及廠區(qū)主要結構面的夾角關系。通過工程類比，方案一的廠

表3 國內部分地下廠房縱軸線與廠區(qū)主要結構面及最大主應力夾角關系表

2.4.1 不同縱軸線方位角圍巖穩(wěn)定敏感性分析

擬定了NE23°、NE13°、NE3°、NW7°、NW25°、NW40°六個廠房縱軸線方位，對不同軸線方位角與地應力釋放、巖體塑性破壞體積、高邊墻位移等指標的變化趨勢進行了分析研究。計算采用二維彈塑性有限元法，選取5#和6#機組段之間的剖面進行計算分析。

從表4及圖4可以看出，縱軸線方位角在NE23°至NW40°范圍內變化時，廠房洞壁的釋放應力是逐漸增加的。因此，單純從洞壁釋放應力的角度來講，廠房縱軸線應該是NE23°對圍巖穩(wěn)定更為有利。

表4 實測點PD6在不同軸線方位角的應力分量表/MPa

圖4 地下廠房洞軸線方位角α與廠房洞壁釋放應力σn關系圖

開挖完成后，不同縱軸線方位角的圍巖塑性體積見表5和圖5。從圖中可以看出，圍巖單寬塑性破壞體積隨方位角由NE23°向NW40°變化而逐漸增大。

不同軸線方位角的邊墻位移隨方位角的變化規(guī)律見表6、圖6?？梢?，洞室高邊墻位移也符合隨方位角由東向西變化而逐漸增大的規(guī)律。

2.4.2 分期開挖支護條件下不同縱軸線方案圍巖穩(wěn)定性研究

表5 圍巖單寬塑性體積隨縱軸線方位角的變化規(guī)律表

圖5 圍巖單寬塑性破壞體積隨廠房縱軸線方位角的變化規(guī)律圖

根據上述分析計算成果，NE23°方案圍巖穩(wěn)定性較優(yōu)，但引水、尾水布置不順暢，故在可研設計階段，重點選擇縱軸線方位分別為NE3°、NW25°兩個方案進行圍巖穩(wěn)定性研究。選取1#～3#機組段，采用彈塑性損傷有限元法進行分期開挖、分期支護條件下的圍巖穩(wěn)定性的計算分析。

兩個縱軸線方案廠房洞室群分期開挖、分期支護完畢，各期圍巖破壞指標見表7。軸線方案一和方案二開挖完成后，1#機組段破壞區(qū)分布圖分別見圖7和圖8。從比較可以看出，開挖完成后，方案二的開裂區(qū)達10.88萬m3，比方案一的開裂區(qū)9.6萬m3大13.3%。

表6 洞室邊墻位移隨縱軸線方位角的變化規(guī)律表/cm

圖6 主廠房上游邊墻吊車梁部位位移隨廠房縱軸線方位角的變化規(guī)律圖

圖7 軸線方案一開挖完成后1#機組段破壞區(qū)分布圖

圖8 軸線方案二開挖完成后1#機組段破壞區(qū)分布圖

至開挖完成，軸線方案二的耗散能為29.2萬t·m，比方案一的26.2萬t·m 增大了11.5%?？梢?，扭轉軸線后，廠房被斷層結構進一步切割，第一主應力與廠房軸線夾角增大，使得應力釋放增加，造成開裂區(qū)增大，邊墻圍巖的應力擾動加大導致耗散能也增加。

表7 兩個縱軸線方案洞周圍巖塑性、開裂破壞特征指標對比表

表8 兩種軸線方案分期開挖支護下洞周位移變化值 /cm

兩種軸線方案分期開挖支護的洞周位移變化情況見表8。變位數據表明兩個軸線方案的三大洞室頂拱位移差別不大。在開挖過程中，頂拱位移變化規(guī)律也大致相同。在不同軸線方案下，三大洞室邊墻的位移有所差異，軸線方案二邊墻圍巖向內變形的徑向荷載加大，使得邊墻位移有較為明顯的增大，洞周圍巖的穩(wěn)定性變差。

兩個軸線方案分期開挖、分期支護完成后的洞周應力變化情況見表9。

在各期開挖末，軸線方案二的洞室頂拱第一主應力都比方案一要大一些，表明方案二的布置方案不利于洞室頂拱應力的均勻分布。方案二各洞室邊墻部位承受的徑向荷載更大，從而使邊墻進一步向內變形，在沿開挖面的徑向產生了更大的張拉效應，增加了洞周的張拉破壞。

兩軸線方案的洞周應力矢量分布規(guī)律基本相同，都是在廠房的拱座和洞室交口處出現應力集中，說明兩個軸線方案分期開挖錨固支護的應力分布規(guī)律沒有質的區(qū)別，只是量值有差異，應力集中的程度有所不同。

表9 兩個軸線方案分期開挖支護下洞周應力變化表 /MPa

表10 兩個軸線方案分期開挖支護下洞周錨桿和錨索應力值表 /MPa

同時，計算還表明，軸線方案二的三大洞室各部位錨桿、錨索應力增幅明顯，說明方案二的邊墻部位錨桿受力增大明顯且部分已達到屈服，若采用軸線方案二，錨固支護的強度需要進一步加強。

另外，對軸線方案二在增加支護強度下的圍巖穩(wěn)定性也進行了分析研究，其結果表明，在原支護的基礎上，軸線方案二增強支護后，錨索增加約370根，總錨固量雖然增加了約181.63萬t·m，但其塑性耗散能和圍巖變形仍大于軸線方案一，增加錨索所起作用不明顯?？梢?，軸線方案二第一主應力與洞室縱軸線的夾角較大，既使加強支護，但從圍巖穩(wěn)定角度分析，軸線方案一仍明顯優(yōu)于方案二。

2.5 廠房縱軸線選擇

由上述分析比較可以看出:

從廠房與整個樞紐的協調性進行比較，方案一和方案二明顯優(yōu)于方案三。

從發(fā)電水頭損失大小進行比較，方案二比方案一平均多利用水頭0.3 m，顯示了相對較優(yōu)越的電量效益。

從工程量進行比較，由于方案二對應引水、尾水建筑物長度比方案一短83 m 和148 m，其洞室開挖量、混凝土襯砌量分別比方案一減少3.89萬m3和1.02萬m3。但由于方案二軸線與初始地應力方向的夾角較大(平均66.9°)，造成錨索支護量比方案一多370根。因此，方案一和方案二對應的工程投資基本持平。

從圍巖穩(wěn)定條件分析，方案一明顯優(yōu)于方案二。

綜合考慮各種因素，兩河口水電站地下廠房軸線方位應選擇NE3°。

3 結語

兩河口水電站地下廠房在規(guī)模上是整個雅礱江流域的第四大廠房，也是國內規(guī)模位居前列的大型地下廠房。經過可研設計階段近五年的大量分析比較工作，目前，設計所確定的廠房軸線方位已經通過了國家組織的專項審查。下一步將在已有工作的基礎上，根據開挖所揭露的實際地質條件和監(jiān)測分析成果，不斷完善支護設計參數，為工程早日建成發(fā)電提供技術保障。