任少龍，鄭林娜

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014；2.河海大學水利水電學院，江蘇南京210098)

0 引 言

隨著水電開發(fā)建設的大力發(fā)展及其技術的逐漸成熟，水電站地下廠房的規(guī)模逐漸變大，地下廠房的圍巖穩(wěn)定性影響著施工設計方案的成敗，因此對地下廠房圍巖穩(wěn)定性進行分析成為水電站設計的關鍵問題[1-2]。國家水電建設逐步向西南地區(qū)轉移，水電工程多處于高山峽谷之中，其地質(zhì)地形情況復雜多樣，圍巖開挖后應力重分布容易產(chǎn)生變形，危及圍巖穩(wěn)定，因此研究不同條件下地下工程圍巖變形和穩(wěn)定性成為一項重要課題[3- 4]。樊啟祥[5]等結合模擬分析和監(jiān)測數(shù)據(jù)結果，分析了緩傾角巖層中地下廠房圍巖變形控制及其圍巖穩(wěn)定性問題；聶衛(wèi)平[2]等采用黏彈塑性有限元法對向家壩水電站地下廠房進行了圍巖穩(wěn)定分析；左雙英[6]等采用FLAC3D軟件模擬分析了高地應力區(qū)的水電站地下廠房分期開挖圍巖穩(wěn)定性問題。大型地下洞室群結構復雜，洞室之間互有影響，圍巖穩(wěn)定受洞室規(guī)模、開挖順序和支護方式等多方面的影響。本文采用三維非線性有限元法，利用ABAQUS有限元軟件，以拉哇水電站地下廠房為研究對象，評價施工開挖程序和圍巖支護方式的可靠性及安全性，以及圍巖中斷層等結構面對圍巖穩(wěn)定的影響，旨在為工程開挖程序和支護方式提供一些有益結論。

1 工程概況

拉哇水電站位于金沙江上游川藏河段，是金沙江上游13級開發(fā)方案中的第8級水電站，上游與葉巴灘水電站銜接，下游為巴塘梯級。工程樞紐建筑物主要由擋水建筑物、泄水建筑物及右岸輸水發(fā)電系統(tǒng)等組成。地下廠房布置在距右壩肩下游約200.00 m處右岸山體內(nèi)，主廠房開挖尺寸為180.00 m×29.50 m×73.913 m(長×寬×高)，廠房內(nèi)共安裝4臺500 MW機組，總裝機容量為2 000 MW。廠內(nèi)兩臺橋式起重機，巖壁吊車梁上、下開挖跨度分別為28.00、29.60 m。主變洞位于主廠房下游，與主廠房平行布置，兩者間巖墻厚40.00 m，開挖尺寸178.00 m×19.80 m×20.90 m(長×寬×高)。

2 計算條件

拉哇水電站地下廠房廠區(qū)山體雄厚，岸坡陡峭，地表多為弱風化基巖陡壁。廠區(qū)洞室圍巖以Ⅲ1～Ⅲ2類為主，主要為微風化至新鮮第3層角閃片巖、綠泥角閃片巖，屬中等堅硬至堅硬巖石。巖層產(chǎn)狀總體為N10°～60°W，SW∠30°～40°。洞室圍巖主要特征參數(shù)見表1。實測廠區(qū)的地應力主要受地質(zhì)構造應力影響，最大主應力平均值為11.8 MPa，主應力方位為N26.5°W～N26.8°W，側壓力系數(shù)為1.56～1.58，巖石強度應力比約為5.8，屬中等偏低應力區(qū)。

表1 圍巖主要特征參數(shù)

根據(jù)勘探平硐揭露，廠址區(qū)域強卸荷水平埋深約5 m，弱卸荷不明顯，弱風化水平埋深約35 m，鉛直埋深42 m。廠區(qū)共發(fā)育20條斷層，其中：Ⅲ級結構面有6條，分別為F259、F263，F(xiàn)264及層間斷層F513、F514、F515，其他14條為Ⅳ級結構面。地下廠房區(qū)域主要發(fā)育4組節(jié)理，見圖1。

圖1 節(jié)理等密度(上半球投影)

3 圍巖穩(wěn)定數(shù)值分析

3.1 計算模型

采用三維有限元建模，模擬拉哇水電站地下廠房洞室群實際洞體結構、廠區(qū)實際地形及地質(zhì)條件。主要包括主廠房、主變室、1條主變運輸洞、4條母線洞、1條進廠交通洞及4條尾水洞，以及對廠房區(qū)圍巖穩(wěn)定影響較大的F269、F513、F263、F264等4條斷層。模型X軸為主廠房軸線方向，指向副廠房方向為正；Y軸為上、下游方向，指向下游尾水管為正；Z軸為鉛直向，向上為正。以1號機組中心橫剖面與廠房縱軸線在2 504 m高程處的交點為坐標原點。模型單元數(shù)為457 718，節(jié)點數(shù)為97 514，三維整體模型見圖2，廠房區(qū)模型見圖3。

圖2 三維整體有限元模型

圖3 地下廠房有限元模型

3.2 開挖方案順序

根據(jù)已建工程經(jīng)驗，并參考同類項目，擬定拉哇地下廠房主要洞室開挖方案。地下廠房分9期進行開挖，地下洞室開挖順序為：主廠房分Ⅰ～Ⅸ級對應1～9期開挖，主變室A、B在1期分別在1、2期開挖，母線洞M1、M2分別在4、5期進行開挖，進水管①在第7期進行開挖，尾水管②在第9期進行開挖。同時為了簡便直觀地說明地下廠房洞室群在分級開挖過程中的位移和應力變化特征，在主廠房和主變室中選取了具有代表性的關鍵點，具體開挖分級及關鍵點位置見圖4。

圖4 拉哇地下洞室群計算開挖分級示意(高程：m)

3.3 支護方案

以現(xiàn)行的錨噴支護技術為基礎，采用直接工程類比法，擬定拉哇水電站主要洞室支護方案。洞室支護擬定采用錨噴支護方式，即噴鋼纖維混凝土+系統(tǒng)錨桿+預應力錨索。

主廠房頂拱及母線層以上兩側側墻噴鋼纖維混凝土厚20 cm，系統(tǒng)錨桿采用Φ32/28@1.5 m×1.5 m，桿長9 m和6 m間隔布置，預應力錨索設計值為2 000 kN，長20～30 m，間排距4.5 m。母線層以下兩側側墻噴鋼纖維混凝土厚20 cm，系統(tǒng)錨桿采用Φ28@1.5 m×1.5 m，桿長6 m；主變洞頂拱和側墻噴鋼纖維混凝土厚15 cm，系統(tǒng)錨桿采用Φ32/28@1.5 m×1.5 m，桿長9 m和6 m間隔布置，預應力錨索設計值為2 000 kN，長20～30 m，在頂拱部位布置3排，上下游側墻各布置2排，間排距4.5 m。

4 地下洞室群開挖過程中圍巖穩(wěn)定性分析

4.1 洞室圍巖位移變化規(guī)律

3號機組處于斷層交錯的核心區(qū)，故取為代表性機組進行分析。洞室開挖后，圍巖總體朝向開挖臨空面變形，邊墻部位變形較大，以水平變形為主，頂拱下沉，底板回彈。隨著開挖高程降低，開挖擾動區(qū)范圍逐漸增大，邊墻及頂拱變形在9級開挖完成后累計至最大值。3號機組在支護和反演地應力場的情況下開挖過程洞周部分關鍵點位移值見圖5，頂拱位移向上為正，側墻位移向下游為正。3號機組位移等值線云圖見圖6。

圖5 3號機組在開挖過程中洞周部分關鍵點位移值

圖6 3號機組位移等值線云圖(單位：m)

表2 3號機組9級及部分級數(shù)開挖后部分關鍵點主拉、主壓應力情況 MPa

注：應力值拉為正，壓為負．

由圖5、6分析得：邊墻最大位移發(fā)生在洞室腰部位置及洞室連接處。主廠房頂拱變形向下，最大下沉位移為25.49 mm；主廠房變形以水平收縮為主，上、下游墻最大水平位移分別為74.44、73.35 mm，均發(fā)生在F513斷層與主廠房交匯區(qū)域，下游墻變形受斷層影響較為明顯；主變室頂拱變形向下，最大沉降位移為29.09 mm，發(fā)生在F263斷層與主變室交匯處；主變室水平位移偏向主廠房方向，上游墻最大水平位移為3.20 mm，發(fā)生在F513斷層與主變室上游墻交匯處，下游墻最大水平位移為35.95 mm，發(fā)生在F513斷層與主變室下游墻交匯處，發(fā)生在下游墻中部，施工過程中應對斷層影響區(qū)域加強監(jiān)控，并采取加強支護措施。

4.2 洞室圍巖應力變化規(guī)律

3號機組9級及部分級數(shù)開挖后主拉主壓應力情況見表2，3號機組在支護情況下中剖面主應力等值線云圖見圖7。

圖7 3號機組中剖面主應力等值線云圖(單位：MPa)

從表2和圖7分析可得：地下廠房開挖后，洞周徑向應力釋放，切向應力增加。隨著與洞壁距離增大，開挖對圍巖應力狀態(tài)的影響越來越小。當開挖臨近關鍵點時，受開挖擾動影響，關鍵點部位的應力增加明顯，隨著開挖的進行，下部開挖對上部區(qū)域的應力擾動逐漸減弱。開挖過程中，主廠房及主變室頂拱及其邊墻最大拉應力達1.06 MPa，發(fā)生在第7級開挖結束時主廠房上游墻2 542.0 m高程處，在9級開挖結束拉應力也達0.97 MPa，最大主壓應力達23.14 MPa，發(fā)生在第9級開挖結束時主廠房頂拱位置。在主廠房頂拱，在洞室拐角、洞室連接處及交叉部存在應力集中現(xiàn)象。在第8級開挖結束時，在2 524.75 m高程、主廠房下游側墻出現(xiàn)了較大的壓應力集中現(xiàn)象，主壓應力量值達22.90 MPa，在整個開挖過程中主壓應力沒有超過巖石的抗壓強度，均滿足巖體的強度參數(shù)要求。

4.3 洞周圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律

3號機組在支護情況下中剖面塑性區(qū)分布見圖8。隨著整個洞室群分布開挖的進行，邊墻不斷增高，在主廠房、主變室、母線洞的頂拱、邊墻及洞室交叉部位出現(xiàn)了不同范圍的塑性區(qū)，加劇了塑性區(qū)破壞范圍。開挖結束后受F269斷層的影響，主廠房上游墻與其相交的部位塑性區(qū)的最大延伸深度達7.0 m，主廠房下游墻與其相交的部位塑性區(qū)深度在6.0 m左右。主廠房底部受F263斷層影響，出現(xiàn)深度為6.0 m以內(nèi)的塑性區(qū)。主變室頂拱受F513斷層影響，塑性區(qū)深度在5.0 m以內(nèi)。

圖8 3號機組中剖面塑性區(qū)分布

5 結 論

根據(jù)拉哇地下廠房洞室三維穩(wěn)定分析可得：拉哇水電站主要洞室圍巖變形、應力、塑性區(qū)最大值均出現(xiàn)在斷層與邊墻及頂拱相交部位。圍巖變形趨勢為頂拱下沉，邊墻向內(nèi)變形，主廠房最大水平位移達74.44 mm，主變室最大水平位移達35.95 mm。開挖過程中最大主拉應力達1.06 MPa，最大主壓應力達23.14 MPa，均滿足巖體的強度參數(shù)要求。在主廠房、主變室及洞室交叉等部位出現(xiàn)了不同范圍的塑性區(qū)，相鄰洞室間沒有出現(xiàn)貫通塑性區(qū)，塑性區(qū)范圍在錨索及錨桿的設計長度控制范圍之內(nèi)。主廠房頂拱、邊墻及洞室交叉部分區(qū)域穩(wěn)定性相對較低，在實際施工過程中應加強監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)測結果適當調(diào)整支護方案。