林起明 龔 軍

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 四川成都 610072）

1 概述

本工程位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)。地下廠房系統(tǒng)由地下廠房、主變室、尾水調(diào)壓室等建筑物組成，地下廠房布置在左岸水平埋深約173～396m山體內(nèi)，對(duì)應(yīng)垂直埋深約295～523m。主、副廠房及安裝間呈“一”字型布置，縱軸線方向?yàn)镹70°E。主機(jī)間左、右兩側(cè)分別布置安裝間、副廠房。其中安裝間靠山側(cè)布置，主廠房?jī)?nèi)安裝4臺(tái)單機(jī)容量270MW的水輪機(jī)組。主、副廠房洞室斷面采用弧拱直墻型，矢跨比1：4。主機(jī)間長(zhǎng)度為143.82m。主廠房上部開挖跨度29.75m，中、下部開挖跨度26.80m，副廠房開挖跨度26.80m，主機(jī)間最大開挖高度68.56m。

2 廠區(qū)基本地質(zhì)條件

廠區(qū)山體雄厚，地下廠房洞室群置于二長(zhǎng)花崗巖中，巖石微風(fēng)化～新鮮，塊狀～次塊狀結(jié)構(gòu)為主，濕抗壓強(qiáng)度80～100MPa。地下水不豐富。廠區(qū)共發(fā)育 19 條斷層和擠壓帶，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?N15～45°E/NW（SE）∠70～85°（12條），多為Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面，屬Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面的規(guī)模較大斷層有斷層f44和f63。裂隙：①N70～90°W/NE（SW）∠70～85°；②N10～25°E/SE（NW）∠70～85°；③N30～50°E/SE（NW）∠70～85°；④N60～90°E/SE（NW）∠70～85°。均為Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面。廠區(qū)初步圍巖分類以Ⅱ～Ⅲ類為主，局部構(gòu)造帶、裂隙密集發(fā)育帶等部位為Ⅳ、Ⅴ類。

廠區(qū)最大主應(yīng)力范圍值為20.0～29.6MPa，屬高應(yīng)力區(qū)，方向位于N60.8～S3.5°E范圍內(nèi)?？紤]到廠區(qū)主要建筑物埋深大、地應(yīng)力高，圍巖的強(qiáng)度應(yīng)力比2＜S＜4，根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-2006），地下洞室初步圍巖分類中的Ⅱ類圍不能滿足圍巖的強(qiáng)度應(yīng)力比S＞4的限制條件，因此將廠區(qū)Ⅱ類圍巖降為Ⅲ1類圍巖。

廠房縱軸線以考慮與地應(yīng)力的最大主應(yīng)力σ1水平投影方向的夾角宜小、樞紐布置順暢、引水建筑物投資小為主，同時(shí)兼顧到與巖體結(jié)構(gòu)面走向交角宜大的原則進(jìn)行選擇，確定廠房縱軸線的方向N70°E，與地應(yīng)力夾角在 0～12°。

圖1 地下廠房洞室群與斷層f44、f63的空間關(guān)系

3 洞室圍巖穩(wěn)定分析

3.1 洞室間距擬定

在初步確定了三大洞室并列平行布置、尾水調(diào)壓室下室中心線與主廠房機(jī)組中心線間距為149m的基礎(chǔ)上，充分考慮地下廠區(qū)的實(shí)際地質(zhì)條件和洞室結(jié)構(gòu)，為縮短尾水管長(zhǎng)度，利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行以及減少土建投資，擬定了相應(yīng)間距為144m（-5m方案）、149m（0m方案）與154m（+5m方案）三個(gè)方案進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性比較。三個(gè)方案廠房和主變之間的巖柱厚度均為47m（吊車梁以上），主變室與尾水調(diào)壓室之間的巖柱厚度分別為40.50m、45.50m和50.50m。

圖2

3.2 計(jì)算模型本構(gòu)模型和巖體參數(shù)

本構(gòu)模型采用的是以帶拉伸截止限的Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則為屈服函數(shù)的理想彈塑性模型。該模型是實(shí)際工程計(jì)算中最常用的本構(gòu)模型，它有著廣泛的工程實(shí)踐檢驗(yàn)；另外，該模型的參數(shù)為工程實(shí)踐中常用的參數(shù)，通過地質(zhì)資料以及室內(nèi)外試驗(yàn)可以很容易獲得的，所以利用該模型進(jìn)行本工程地下廠房圍巖穩(wěn)定分析是可行的。本次計(jì)算時(shí)，本構(gòu)模型的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

3.3 間距變化對(duì)圍巖位移的影響規(guī)律

主廠房不同部位計(jì)算結(jié)果見表2所示（單位：m）。

主變室不同部位計(jì)算結(jié)果見表3所示（單位：m）。

尾調(diào)室不同部位計(jì)算結(jié)果見表4所示（單位：m）。

主廠房及尾調(diào)室之間洞室間距變化對(duì)主廠房上游邊墻及端墻部位變形影響較小，整體變化幅度不大。洞室間距變化對(duì)主廠房及主變室下游邊墻變形有一定的影響，隨著間距增加，位移相應(yīng)減?。幌鄬?duì)0m方案，-5m方案時(shí)位移增加幅度分別在0.1～3.8%、0.3～4.3%之間，5m方案時(shí)位移減小幅度在0.3～2.7%、0.5～5.1%之間。2#尾調(diào)室區(qū)域位移分布受斷層f63影響最大。隨著洞室間距增加，斷層f63切割2#尾調(diào)室的范圍逐漸縮小，2#尾調(diào)室上游邊墻位移也相應(yīng)減小。-5～0m方案，減小幅度一般在1.7～7.3%之間；0m方案到5m方案，減小幅度一般在0.4～7.9%之間。

表2

表3

表4

3.4 間距變化對(duì)圍巖應(yīng)力的影響規(guī)律

開挖完成1#機(jī)組段洞周應(yīng)力值比較（MPa）。

表5

開挖完成4#機(jī)組段洞周應(yīng)力值比較（MPa）。

表6

從洞室各機(jī)組段典型部位的應(yīng)力量值統(tǒng)計(jì)情況來看，不同間距方案洞周的大主應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，量值差別較小。開挖完成，各洞室洞周頂拱的大主應(yīng)力量值約-22～-36MPa，邊墻部位的大主應(yīng)力量值約-5～-28MPa。各洞室頂拱的小主應(yīng)力量值約-5～-11MPa。三大洞室的上下游邊墻的拉應(yīng)力較明顯，量值約在0.04～1.04MPa之間。

可見，不同間距方案對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律影響較小，只是在量值上存在一定的差別。從圍巖的拉應(yīng)力區(qū)分布及量值而言，洞室間距變化對(duì)應(yīng)力的影響較小，不同方案之間沒有明顯差異。

3.5 間距變化對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響規(guī)律

主體洞室不同間距對(duì)地下洞室塑性區(qū)影響對(duì)比表單位：m3。

表7

-5m方案較0m方案主廠房及尾調(diào)室塑性區(qū)體積有所增加，圍巖塑性區(qū)體積增加幅度分別為0.5%、1.0%，主變室塑性區(qū)基本無變化。5m方案較0m方案主廠房塑性區(qū)體積有所減小，圍巖塑性區(qū)體積減小幅度為0.3%，主變室及尾調(diào)室塑性區(qū)略有增加，增加幅度為1.0%、2.0%。

對(duì)比塑性區(qū)深度、塑性區(qū)體積等指標(biāo)，除-5m方案外，其余方案主廠房及主變室之間塑性區(qū)沒有貫通，均比-5m方案更有利于洞室圍巖穩(wěn)定，洞室間距變化對(duì)地下廠房其他部位圍巖的塑性區(qū)分布以及整體的塑性區(qū)體積影響很小。

3.6 主廠房與主變室合理間距建議

綜合上述分析，從三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果來看，本工程地下廠房，主廠房和主變室間距變化對(duì)主廠房下游邊墻及主變室上游邊墻變形的影響較為明顯，間距增加，位移相應(yīng)減小。從洞室群變形來看，-5m方案對(duì)主廠房和主變室之間巖柱的穩(wěn)定不利，5m方案和0m方案對(duì)巖柱力學(xué)響應(yīng)的影響基本一致，對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響相差較小。從圍巖的拉應(yīng)力區(qū)分布及量值而言，洞室間距變化的影響較小，不同方案之間沒有明顯差異。從塑性區(qū)深度、塑性區(qū)總量的統(tǒng)計(jì)對(duì)比來看，除-5m方案外，5m方案和0m方案時(shí)主廠房及主變室之間塑性區(qū)沒有貫通，更有利于洞室圍巖穩(wěn)定。從上述計(jì)算結(jié)果分析來看，5m方案是三種方案中對(duì)洞室群穩(wěn)定最為有利，其次為0m方案。需要注意的是，間距增加5m方案將增加母線洞及尾水連接洞長(zhǎng)度，增加工程量及投資，而0m方案與其相比，對(duì)洞室群穩(wěn)定性沒有明顯變化。因此，洞室間距需要從洞室布置、施工便利和經(jīng)濟(jì)合理等角度綜合考慮確定。

4 結(jié)語

地下洞室間距除應(yīng)綜合考慮地下洞室穩(wěn)定、引水發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。最終通過綜合比選，確定洞室最優(yōu)布置。