王 秀 全，　羅 維 薇

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

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黃金坪水電站地下廠房開挖支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 秀 全，羅 維 薇

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

摘要：黃金坪水電站地下廠房施工開挖揭示的圍巖地質(zhì)條件好于前期階段，根據(jù)開挖的實(shí)際情況，對地下廠房三大洞室圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，通過施工期圍巖穩(wěn)定監(jiān)測與反饋分析監(jiān)測圍巖的穩(wěn)定情況，同時(shí)對局部圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。

關(guān)鍵詞：地下廠房；開挖支護(hù)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；黃金坪水電站

1工程概述

黃金坪水電站位于大渡河上游河段，系大渡河干流水電規(guī)劃“三庫22級”中的第11級電站。左右岸共有大小兩個(gè)廠房，其中大電站廠房位于大渡河左岸姑咱鎮(zhèn)時(shí)濟(jì)橋上游，安裝4臺機(jī)組，總裝機(jī)容量為800 MW。廠房縱軸線方位為N70°W。廠房、主變室、尾水閘門室三大洞室采用平行并列布置。主變室布置于廠房和尾閘室之間，與廠房、尾閘室?guī)r柱厚度分別為45 m、35 m。

廠房從山里至山外依次布置副廠房、主機(jī)間、安裝間，呈“一”字型排列。主副廠房總長206.3 m，其中主機(jī)間長129 m，安裝間長54.4 m，副廠房長22.9 m。主副廠房斷面為弧拱直墻型，主機(jī)間毛洞斷面尺寸：頂拱跨度28.8 m，巖錨吊車梁以下跨度25.5 m，最大高度65.9 m；安裝間跨度與主機(jī)間相同，最大高度28 m；副廠房毛洞斷面尺寸：跨度25.5 m，最大高度38.6 m。

主變室斷面為弧拱直墻型，毛洞斷面尺寸為150.8 m×17.8 m×33.25 m(長×寬×高)。

圖1　黃金坪水電站地下廠房平面布置圖

尾閘室斷面也為弧拱直墻型，毛洞斷面尺寸為137.55 m×8 m×58.8 m(長×寬×高)。地下廠房洞室群布置情況見圖1。2可研階段三大洞室支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1地質(zhì)條件

主副廠房、安裝間圍巖為微新的斜長花崗巖、石英閃長巖，穿插有花崗閃長～角閃斜長巖質(zhì)混染巖，一般呈焊融式接觸。主廠房部位西段發(fā)育2組優(yōu)勢裂隙，J1:N15°～20°E/SE∠40°～45°, J2:N50°E/SE∠52°，面新鮮，間距3～30 cm；廠房頂拱局部發(fā)育有2組緩傾剛性結(jié)構(gòu)面(產(chǎn)狀為N40°E/SE∠20°，EW/N∠30°，延伸長度5 m左右)；主廠房東段發(fā)育2組優(yōu)勢裂隙，J3:N50°～85°W/SW∠65°～85°，J4:N20°～25°E/NW∠27°，間距0.2～0.5 m，面微新，輕銹，延伸長度一般為3～10 m及以上。圍巖類別以Ⅲ類為主，局部為Ⅱ類，Ⅱ、Ⅲ類約占84%，斷層帶及松弛張裂帶為Ⅳ、Ⅴ類，約占16%。洞室垂直埋深290～413 m，水平埋深249～430 m。

2.2支護(hù)設(shè)計(jì)方案

可研階段黃金坪水電站地下廠房支護(hù)設(shè)計(jì)根據(jù)地質(zhì)條件、參考已建成的工程經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)通過彈塑性有限元分析確定了三大洞室圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)方案，其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1　可研階段地下廠房三大洞室圍巖支護(hù)參數(shù)表

3施工圖優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1地質(zhì)條件

在技施階段，黃金坪水電站地下廠房洞室根據(jù)初步開挖揭示的地質(zhì)條件看，廠房和主變室地層巖性以斜長花崗巖為主，夾部分石英閃長巖及花崗閃長～角閃斜長巖質(zhì)混染巖，巖體間均呈焊融式接觸。洞室圍巖呈微風(fēng)化～新鮮，整體干燥。主要發(fā)育5條小斷層和9組裂隙。裂隙較發(fā)育，巖體堅(jiān)硬、較完整，主要呈次塊狀結(jié)構(gòu)，塊狀、鑲嵌狀結(jié)構(gòu)次之，局部為碎裂結(jié)構(gòu)。圍巖以Ⅲ類為主(含Ⅲ1類、Ⅲ2類，其中Ⅲ1類占56.7%，Ⅲ2類占15.3%)占72%，少量為Ⅱ類、Ⅳ類(其中Ⅱ類占17.4%，Ⅳ類占10.6%)。尾閘室?guī)r體較完整，局部存在不利組合，穩(wěn)定性差。開挖揭示洞室?guī)r體情況為：Ⅱ類巖體段占32%；Ⅲ類巖體段占51.5%；Ⅳ、Ⅴ類巖體占16.5%。

3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)之基礎(chǔ)

從三大洞室圍巖地質(zhì)條件看，可研階段廠房、主變室圍巖Ⅱ、Ⅲ類巖體約占84%，Ⅳ、Ⅴ類巖體約占16%；施工階段開挖揭示的圍巖顯示，Ⅱ、Ⅲ類巖體約占89.4%，Ⅳ類巖體占10.6%，無Ⅴ類巖體。施工階段的圍巖情況明顯好于可研階段，圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)具有優(yōu)化的可能。

3.3圍巖支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)的原則以已建成的工程經(jīng)驗(yàn)和工程類比為主，巖石力學(xué)數(shù)值分析為輔；發(fā)揮圍巖本身的自承載能力，以系統(tǒng)支護(hù)為主，局部加強(qiáng)為輔并與隨機(jī)支護(hù)相結(jié)合；圍巖支護(hù)參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際開挖揭示的地質(zhì)條件、結(jié)合圍巖快速監(jiān)測反饋分析進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

根據(jù)圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)原則確定的支護(hù)參數(shù)見表2，支護(hù)形式見圖2。同時(shí)，在施工過程中，通過圍巖快速監(jiān)測和反饋分析，及時(shí)調(diào)整洞室支護(hù)參數(shù)并檢驗(yàn)支護(hù)參數(shù)的合理性。

表2　優(yōu)化設(shè)計(jì)地下廠房三大洞室圍巖支護(hù)參數(shù)表

圖2　優(yōu)化設(shè)計(jì)三大洞室圍巖深層支護(hù)圖

4圍巖穩(wěn)定監(jiān)測與反饋分析

黃金坪水電站地下廠房三大洞室圍巖監(jiān)測反饋分析以四個(gè)監(jiān)測斷面(樁號廠橫0+027、0+70.8、0+131.8、0+195)為研究對象，模擬實(shí)際地形、地質(zhì)條件(包括巖脈破碎帶、斷層、陡、緩傾角裂隙密集帶等各類結(jié)構(gòu)面)，選取合適的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，施加初始地應(yīng)力，模擬地下廠房洞室群的實(shí)際開挖順序(確定方案為10級開挖)和支護(hù)措施。建立圍巖穩(wěn)定性的評價(jià)方法，對圍巖整體穩(wěn)定特性和局部穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價(jià)，進(jìn)而為地下洞室開挖支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)檢驗(yàn)支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性。圍巖監(jiān)測反饋分析評價(jià)結(jié)果如下：

(1)洞周變位與破壞區(qū)反演計(jì)算結(jié)果。

經(jīng)對第10級開挖進(jìn)行反演分析，表明廠房頂拱下沉變形最大量為20.63 mm，上游側(cè)巖錨吊車梁最大變位為31.55 mm；下游邊墻最大變位為73.01 mm 。主變室頂拱下沉量為19.84 mm，上游邊墻向洞內(nèi)變位為36.63 mm，下游邊墻向洞內(nèi)變位為53.79 mm，均出現(xiàn)在3#機(jī)組段。尾閘室上游邊墻向洞內(nèi)變位1#機(jī)組段為55.05 mm；下游邊墻向洞內(nèi)變位3#機(jī)組段為56.63 mm。

主廠房頂拱最大破壞區(qū)深度大約在5.51 m左右；巖錨梁及邊墻上的塑性破壞區(qū)限于淺表部，深度在4.5 m以內(nèi)。主變室拱頂破壞區(qū)厚度為5.45 m，底板破壞區(qū)厚度為9.55 m。主變室下游邊墻破壞區(qū)厚度為9.54 m。尾閘室破壞區(qū)分布范圍較深，因受f7-35的影響，上游邊墻破壞區(qū)深度達(dá)到11.24 m，較下游邊墻的5.12 m深。但破壞區(qū)深度均未超過錨索錨固深度。圖3為開挖完成后圍巖破壞區(qū)三維圖。

圖3　第10級圍巖破壞區(qū)三維圖

(2)錨桿、錨索內(nèi)力分析結(jié)果。

①錨桿內(nèi)力分析結(jié)果。

錨桿內(nèi)力隨著開挖區(qū)域的增大而增大，隨著開挖面積的增大，在兩拱腰及邊墻中部一般均較其他部位大。如0+027剖面錨桿內(nèi)力極值出現(xiàn)在第10級開挖后的上游拱腰，量值為85.3 MPa；0+070.8剖面錨桿內(nèi)力極值出現(xiàn)在第10級開挖后的主變室下游邊墻中部，量值為124.82 MPa；0+0131.8剖面錨桿內(nèi)力極值出現(xiàn)在第10級開挖后的主變室下游邊墻中部，量值為153.19 MPa；0+195剖面錨桿內(nèi)力極值出現(xiàn)在第10級開挖后的下游拱腰，量值為84.51 MPa。以上內(nèi)力數(shù)值均在正常值范圍內(nèi)。

②錨索內(nèi)力分析結(jié)果。

錨索設(shè)計(jì)噸位：15 m/20 m分別為1 500 kN/

1 750 kN，45 m對穿錨索設(shè)計(jì)噸位為1 750 kN，以0+070.8剖面(1#機(jī)組)為例，第10級開挖以后，主廠房預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)力最大值出現(xiàn)在上游吊車梁上部，量值為1 369.35 kN，比1 750 kN的設(shè)計(jì)噸位小380.65 kN。

(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。

①從變形監(jiān)測數(shù)據(jù)看，三大洞室變形最大處為主變室下游邊墻。第10層開挖結(jié)束后，1#機(jī)組0+070.8剖面主變室下游邊墻M4ZZB-10的監(jiān)測變形達(dá)到86.99 mm，3#機(jī)組0+131.8剖面主變室下游邊墻M4ZZB-15的監(jiān)測變形達(dá)到79.11 mm。與其它同類工程相比，黃金坪水電站地下洞室變形數(shù)值不大，目前變形已經(jīng)收斂，趨于穩(wěn)定。

②從錨桿內(nèi)力監(jiān)測數(shù)據(jù)看，φ28錨桿拉力最大值發(fā)生在廠房樁號0+195的上游邊墻，數(shù)值為163.6 kN，φ32錨桿拉力最大值發(fā)生在廠房樁號0+131.8的下游邊墻，數(shù)值為146.6 kN。其它部位錨桿拉力值均很小，錨桿拉力均未超過錨桿抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

③從錨索內(nèi)力監(jiān)測數(shù)據(jù)看，1 750 kN錨索最大拉力出現(xiàn)在樁號為0+131.8的下游邊墻上，數(shù)值為1 677 kN，未超過錨索設(shè)計(jì)值。到目前為止，錨索監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示其均已趨于穩(wěn)定。

5結(jié)語

黃金坪水電站左岸地下廠房洞室主廠房、主變室、尾閘室及尾水連接洞均已于2013年8月全部開挖完成，三大洞室邊墻變位目前已基本收斂并趨于穩(wěn)定。各洞室邊墻處塑性區(qū)破壞未聯(lián)通且深度小于錨索錨固深度。錨桿、錨索內(nèi)力值未超出設(shè)計(jì)數(shù)值。監(jiān)測和反演計(jì)算成果表明：圍巖整體穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。到目前為止，洞室運(yùn)行情況良好。

實(shí)施優(yōu)化后的圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)與可研設(shè)計(jì)階段相比，優(yōu)化減少L=15/20 m,T=1 500/1 750 kN的錨索459束；優(yōu)化減少L=45 m,T=1 750 kN的對穿錨索79束。

參考文獻(xiàn):

[1]李華曄.地下洞室穩(wěn)定性分析[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[2]馮夏庭，周輝，李紹軍，等.巖石力學(xué)與工程綜合集成智能反饋分析方法及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007,27(9)：1 337-1 344.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

王秀全(1967-)，男，吉林白城人，高級工程師，學(xué)士，從事水電工程設(shè)計(jì)工作；

羅維薇(1965-)，女，貴州黔南人，高級工程師，學(xué)士，從事水電工程設(shè)計(jì)工作.

The Optimization Design of Excavation and Supporting for Underground Powerhouse of Huangjinping Hydropower Station

WANG XiuquanLUO Weiwei

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu , Sichuan, 610072,China)

Abstracts: Geological conditions of surrounding rock in underground powerhouse of Huangjinping hydropower station revealed by excavation are much better than that in early stage. According to the actual circumstance of the excavation, design of excavation and supporting for surrounding rocks is optimized for three main underground caverns. Besides, local surrounding rock supporting design parameters have been adjusted and surrounding rock stability has been monitored according to the analysis of surrounding rock stability monitoring and feedback analysis during the construction.

Keywords:underground powerhouse ?excavation and supporting optimization design

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0051-04

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

中圖分類號:TV7;TV22;TV52;TV51;TV554

收稿日期:2015-12-31