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(中國電建集團貴陽勘測設計研究院成都分院，成都，610041)

固滴水電站地下廠房洞室群開挖監(jiān)測結合有限元計算成果分析

王海燕，陳娟，賀雙喜，張高

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院成都分院，成都，610041)

依據水工結構布置和結構尺寸，同時結合廠房地下洞室有限元計算成果中的圍巖塑性區(qū)、位移變形量(垂直和水平2個方向)及支護應力區(qū)，選擇典型監(jiān)測斷面中計算結果變形較大部位，有針對性地選擇監(jiān)測儀器來監(jiān)測洞室變形和圍巖應力等項目。同時在后期的施工開挖過程中，依據安全監(jiān)測數據分析圍巖的受力狀況和穩(wěn)定性，同時反饋和驗證有限元計算結果的可靠性和準確性。

塑性區(qū) 變形值 應力值

1 工程概況

固滴水電工程樞紐由擋泄水建筑物+右岸長引水系統+右岸地下廠房組成，為Ⅲ等中型工程。引水發(fā)電系統位于右岸山體中，主要由岸塔式進水口、引水隧洞、調壓井、壓力管道、尾水隧洞及尾水出口組成，采用一洞三機聯合供水方式。地下廠房位于右岸山體內，內設3臺混流式水輪發(fā)電機組?？傤~定引用流量約130.479m3/s，裝機容量138MW，單機為46MW。主廠房最大開挖尺寸為79.8m×18.4m×41.8m(長×寬×高)，主變洞最大開挖尺寸為50.1m×13.6m×27.8m(長×寬×高)。

主廠房洞室頂部巖體覆蓋厚100m～170m，外側水平巖體覆蓋厚95m～140m。主變洞頂部巖體覆蓋厚60m～100m，外側水平巖體覆蓋厚65m～92m。地下廠房洞室群布置空間交錯，巖體覆蓋較薄，母線洞洞壁巖石厚度小，母線洞與尾水洞之間的巖石厚度最薄處僅為4.8m。主廠房洞室處于T1l1厚層夾薄層玄武巖，粘 結 較 好 ， 但 夾層粘結差。

2 廠區(qū)地形地質情況

廠區(qū)地形陡峻，河谷較狹窄，自然坡高350m～400m，地形坡度46°～56°。

主廠房軸線地面高程2296m～2366m，垂直埋深100m～170m。主變洞軸線地面高程2260m～2300m，垂直埋深64m～103m。主廠房與主變洞圍巖以T1l1似厚層夾少量似薄層玄武巖為主。地下廠房巖層單斜，似層面產狀N47°～55°W，NE∠59°～66°，巖層走向與洞軸線方向交角42°～50°，未發(fā)現規(guī)模較大的斷層。另外平硐底部揭露的4條夾層(J1～J4)，產狀N46°～49°W，NE∠54°～66°，一般寬2cm～8cm，最大達20cm，平直稍粗，物質成份為灰色母巖碎塊碎片(約占55%)、白色石英脈(約占40%)及少量泥(約占5%)。按似層面推測延伸至主廠房中部、北端和主變洞的中部、南端。地下廠房玄武巖微新巖體為弱透水，水文地質條件簡單，地下水位高出洞頂26m～58m。

地下廠房洞室?guī)r質堅硬、巖石新鮮，巖體完整性較好，多屬Ⅲ類圍巖。圍巖飽和抗壓強度與地應力之比為9.5，據此衡量地下廠房洞室圍巖整體穩(wěn)定性尚好。

3 地下廠房洞室群布置

地下廠房洞室群包括主廠房、主變洞、母線洞、尾水洞等，其中在主廠房和主變洞之間設一2.7m×3.5m(寬×高)的排水洞。主廠房洞軸線N5°W，長79.8m、寬18.4m、最大高度41.8m，頂拱高程2193.8m，開挖底板高程2152.0m，垂直埋深100m～170m。主變洞位于主廠房下游凈距25m處，與主廠房平行布置，長50.1m、寬13.6m、高27.8m，頂拱高程2198.6m，開挖底板高程2170.8m，垂直埋深60m～100m，主變洞通過底部三條母線洞與主廠房相連。每臺機組設一條尾水洞，洞斷面為城門洞型，共三條。三條尾水隧洞平行布置，中心線距離為13.5m，長度為165.0m。

4 地下廠房洞室群支護方案

在兩大洞室間的間隔巖體2184.5m和2176m高程設兩排1500kN對穿錨索，共計22根，其余地下廠房洞室群支護方案見表1。

5 地下廠房洞室群安全監(jiān)測布置

因主廠房和主變洞的開挖尺寸大，最大開挖斷面尺寸分別為79.8m×18.4m×41.8m和50.1m×13.6m×27.8m(長×寬×高)，但兩個大洞室間隔巖石厚度僅為23.5m。針對以上結構布置，地下廠房洞室群的主要監(jiān)測項目為圍巖變形、接觸縫開合度和圍巖支護應力(錨桿(索)應力)。

表1 地下廠房支護方案

5.1 主廠房安全監(jiān)測布置

考慮到圍巖類別、廠房結構尺寸和地質情況，選擇廠橫0+13.5m和廠橫0-13.5m樁號處設2個監(jiān)測斷面，結合實際開挖支護順序，每個監(jiān)測斷面的左右側拱端部和拱頂設3點式多點位移計和單點式(兩點式)錨桿應力計?？紤]到運行期的受力情況，在主變洞的巖錨梁位置上下層(高程2183.6m和高程2181.8m)左右側各設2支測縫計、1支單點式錨桿應力計和1套2點式錨桿應力計；高程方向：在主廠房的高程2173.00m高程左右側各設1套多點位移計和1支單點式錨桿應力計。共計布設10套3點式多點位移計、10支單點式錨桿應力計、4支兩點式錨桿應力計和8支測縫計。

5.2 主變洞安全監(jiān)測布置

依據水工結構和主變洞尺寸，結合主廠房的監(jiān)測斷面位置，選擇在主廠房相同樁號處設2個監(jiān)測斷面。在每個斷面的頂拱和左拱端(靠近主廠房端)各設一套多點位移計，并在此斷面頂拱設1支單點式錨桿應力計。共計4套3點式多點位移計和2支單點式錨桿應力計。

5.3 其他

在主變和主廠的隔墻對穿錨索上選擇4根錨索設計錨索測力計，監(jiān)測錨索的受力(損失率)情況。

圖1 主廠房和主變洞安全監(jiān)測布置

6 有限元計算結果

6.1 圍巖塑性區(qū)

從圍巖塑性區(qū)分布結果看，洞室第1層開挖，頂拱局部出現塑性區(qū)，隨著洞室向下部開挖，頂拱的塑性區(qū)擴展的范圍和向圍巖深部延伸的深度很?。欢词腋哌厜鷰r塑性區(qū)隨著洞室下部開挖，擴展的范圍和向圍巖深部延伸的深度也逐步增加，到開挖結束即第5期開挖結束后，地下廠房上游邊墻塑性區(qū)在圍巖中最大延伸深度8.4m，頂拱為3.5m；主變洞下游邊墻局部(上部)出現塑性區(qū)，塑性區(qū)在圍巖中最大延伸深度8.0m，頂拱為3.4m，地下廠房與主變洞之間的隔墻被塑性區(qū)貫穿(如圖2(e))，出現這種現象的主要原因是隔墻兩側上下游臨空的直邊墻較高，其次是隔墻厚度不是很大而水平應力、剪應力較大。

(a)第1期開挖

(b)第2期開挖

(c)第3期開挖

(d)第4期開挖

(e)第5期開挖

6.2 圍巖變形

從圍巖變形計算結果看，地下廠房洞室第1層開挖，頂拱圍巖向洞內最大豎向變形為11.0mm(圖中的單位為m)，隨著洞室向下部開挖，頂拱圍巖向洞內變形逐漸增加；主變洞第1層開挖，頂拱圍巖向洞內最大豎向變形為8.0mm。隨著洞室向下部開挖，邊墻和頂拱圍巖向洞內的變形也隨之逐漸增大，其中第4期開挖，圍巖變形幅度最大，約為全部變形的30%～55%；兩大洞室開挖結束后，地下廠房洞室的上游邊墻、頂拱、下游邊墻向洞內水平變形(或垂直變形)分別為27.0mm、24.0mm、36.0mm；主變洞的上游邊墻、頂拱、下游邊墻向洞內水平變形(或垂直變形)分別為19.0mm、14.4mm、22.0mm。

6.3 支護結構應力

主廠房上游邊墻錨桿應力一般在100MPa以下，最大值約237.0MPa；頂拱錨桿應力一般在100MPa以下，最大值約222.0MPa；下游邊墻錨桿應力一般在200MPa以下，最大值約319.0MPa；主變洞上游邊墻錨桿應力一般在100MPa以下，最大值約222.0MPa；頂拱錨桿應力一般在100MPa以下，最大值約210MPa；下游邊墻錨桿應力一般在100MPa以下，最大值約146.0MPa。

圖3 錨桿應力分布與塑性區(qū)的關系

7 監(jiān)測資料整編及分析

監(jiān)測布置在主廠房和主變洞的兩個監(jiān)測斷面(廠橫0+13.5m和廠橫0-13.5m)的監(jiān)測資料如下：

7.1 多點位移計

多點位移計15m深處的累積位移測值在0.04mm～25.88mm，均值為10mm。其中最大累積位移M3ZB2s-1-3位于廠橫0-13.5m樁號的主變洞上游側邊墻(靠近主廠側的拱端)，位于它附近的多點位移計M3ZC2X-1-3的最大累積位移為13.28mm。如下圖4。

圖4 多點位移計數據過程曲線

7.2 測縫計

在每個監(jiān)測斷面的巖錨梁處的上下層(2183.6m高程和2181.80m高程)左右側各布置2支測縫計，共計8支。開挖過程中其測值為-0.32mm～0.02mm，包括門機荷載實驗期間測值均較平穩(wěn)，施工開挖期數據情況如圖5。

圖5 測縫計數據過程曲線

7.3 錨桿應力計

在每個監(jiān)測斷面的頂拱和左右拱端及邊墻中部布設5、6支單點(兩點)式錨桿應力計。在整個開挖期間，主廠和主變頂拱處的錨桿測力計的測值為-5.5MPa～27.60MPa之間，其應力值均較小。2183.6m高程邊墻的兩點式錨桿應力計測值為21.20MPa～309.2MPa。其中最大測值位于該高程廠橫0-13.5m樁號主廠的下游側邊墻。2181.8m高程邊墻(巖錨梁下部)的單點式錨桿應力計測值為18.6MPa～64.3MPa，該部位測值無異常。2173.0m高程邊墻的單點式錨桿應力計測值為88.9MPa～291.0MPa，均值為217.75MPa。位于該高程的測值隨著施工開挖的進行而增大，最大測值在第五期開挖完成后達到峰值。如下圖6。

圖6 錨桿應力計數據過程曲線

7.4 錨索測力計

在主廠和主變間的隔巖設2排1500kN對穿錨索，高程分別為2184.5m和2176.0m。每個高程選擇2個錨索安裝測力計，共計4套錨索測力計。錨索測力計損失率在-11.43%～12.28%之間，在主廠施工開挖完成后測值無明顯異常變化。

圖7 錨索測力計數據過程曲線

8 監(jiān)測資料結合有限元分析

從安全監(jiān)測資料可以看出，無論是應力還是變形，都隨著洞室向下部開挖，邊墻和頂拱圍巖向洞內的測值也隨之逐漸增大，且錨桿應力計和多點位移計測值是主廠的下游邊墻大于上游邊墻，低高程測值大于高高程測值，此規(guī)律和有限元計算分析結果大體趨勢相同。在數據量化上，應力值和變形值大體等同于有限元計算結果。應力值：主廠上游邊墻的錨桿應力值約為50MPa，除了2173m高程的為250MPa；主廠下游側邊墻測值約70MPa，但2173m高程的測值較大，為300MPa。變形值：主廠上游邊墻的多點位移計測值約為10mm，主廠下游側邊墻多點位移計測值約12mm；主變上游側邊墻的多點位移計測值分別為3.5mm和25mm左右，其中廠橫0-13.5m處高程為2184m附近的測值較大。該處附近的錨桿應力計測值為300MPa，相比廠橫0+13.5m同部位的也較大。結合現場施工工序和實際情況分析，應為開挖主廠和主變的排水洞所致，后期停止開挖一段時間后再次開挖，其測值也表現為繼一段平穩(wěn)期后的再次增長，監(jiān)測數據表明在主廠房和主變洞開挖完成后再開挖排水廊道(設計為先開挖排水廊道，再開挖主廠房和主變洞)對周邊圍巖(尤其是2184m～2188m高程)造成的擾動和形變更大。

地下廠房開挖監(jiān)測儀器類型和埋設安裝位置的選擇與有限元分析計算結果相結合的設計方法簡單有效，使少量的監(jiān)測儀器能做到有的放矢。首先，有限元分析計算成果在后期實際施工過程中的監(jiān)測數據為圍巖變形和應力情況的安全狀態(tài)提供判斷條件。使參建各方對目前的監(jiān)測數據做到心中有數；其次，依據監(jiān)測數據(異常數據)提醒各參建單位在監(jiān)測數據異常程度較大部位做好相應處理措施。最后，監(jiān)測數據印證了有限元仿真計算成果的準確性，能基本反應出圍巖在整個施工工期的圍巖應力和變形情況，對該計算方法(應用于大型地下洞室群)可進一步推廣和改進。

TV731.6∶TV314

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2095-1809(2017)05-0068-05

王海燕(1982-)，女，高級工程師，主要從事水利水電建筑物設計及樞紐建筑物安全監(jiān)測設計工作。

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