何艷麗
(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州 510635)
大型抽水蓄能電站地下廠房洞室群規(guī)模大,洞室密集,施工條件復(fù)雜,主要洞室邊墻高、跨度大,地下廠房洞室群的施工開挖順序和圍巖支護(hù)參數(shù)等都將直接影響地下廠房洞室群的圍巖穩(wěn)定、工程投資和電站的安全運(yùn)行[1-4]。本文結(jié)合福建云霄抽水蓄能電站地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定分析的實(shí)例,為類似工程的設(shè)計(jì)和計(jì)算提供參考。
福建云霄抽水蓄能電站位于福建云霄縣火田鎮(zhèn),水電站場(chǎng)址距漳州市、廈門市、泉州市的直線距離分別為52 km、81 km、150 km。樞紐建筑物由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站、下水庫(kù)及場(chǎng)內(nèi)永久道路等部分組成。電站安裝6臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的單級(jí)立軸混流可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組,總裝機(jī)容量為1 800 MW。地下廠房采用中線中部式開發(fā)方案,上覆巖體厚度為310~380 m。主副廠房洞、主變洞、尾閘室3大洞室平行布置方式。主副廠房洞開挖尺寸為231.0 m×25.5 m×56.8 m(長(zhǎng)×寬×高,下同),主變洞開挖尺寸為212.0 m×21.0 m×22.95 m,距主廠房下游40 m處,尾閘室開挖尺寸為147.0 m×7.8 m×17.45 m,位于主變洞下游側(cè)33.5 m處。機(jī)組安裝高程為33.0 m,發(fā)電機(jī)層高程為48.0 m。
在洞室群布置方案和結(jié)構(gòu)形態(tài)已經(jīng)確定的條件下,地下工程圍巖穩(wěn)定性主要取決于巖體地質(zhì)條件,包括工程區(qū)初始地應(yīng)力狀態(tài)、巖性條件、和巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征[5-7]。
本工程地下廠房所處山體雄厚,地表植被茂密,地面高程為360~420 m左右,上覆巖體厚度約290~350 m。山坡坡度為25°~30°。地下廠房北東和南東側(cè)均發(fā)育1條近EW向沖溝,沖溝切深為10~20 m;北東側(cè)沖溝發(fā)育斷層F88,產(chǎn)狀N60~70°W/NE∠70~80°,b=2~3 m,為碎塊巖、塊狀巖及碎裂巖,壓扭性。工程區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造情況見圖1。
圖1 工程區(qū)域地質(zhì)地質(zhì)構(gòu)造示意
本次計(jì)算采用三維非連續(xù)力學(xué)離散元軟件3DEC。非連續(xù)力學(xué)方法是在連續(xù)力學(xué)方法如有限元基礎(chǔ)上能夠模擬大量接觸面(節(jié)理),因此,非連續(xù)力學(xué)方法包括兩大部分,塊體和接觸。其中塊體為連續(xù)體,采用連續(xù)力學(xué)理論方法求解,后者體現(xiàn)了介質(zhì)的非連續(xù)性[8-9]。
本次計(jì)算采用國(guó)內(nèi)外普遍接受的理想彈塑性本構(gòu)和胡克-布朗強(qiáng)度準(zhǔn)則,相比巖體而言,結(jié)構(gòu)面的本構(gòu)和強(qiáng)度準(zhǔn)則研究成果要少得多,因此選擇余地相對(duì)較小。本次分析對(duì)結(jié)構(gòu)面選擇了理想彈塑性本構(gòu)和摩爾—庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,根據(jù)水壓致裂法或應(yīng)力解除法測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)的地應(yīng)力水平和方位,將地應(yīng)力施加到模型的全部塊體上;同時(shí)對(duì)模型邊界施加合理的邊界條件,如邊界固定產(chǎn)生變形或者邊界有固定頻率的加速度等。
本工程地下廠房區(qū)域圍巖以新鮮-微風(fēng)化的II類和III類鉀長(zhǎng)花崗巖為主,Ⅱ類圍巖約占42%,Ⅲ類圍巖約占58%,巖體完整性相對(duì)較好。根據(jù)地勘資料和巖石室內(nèi)試驗(yàn)的成果,對(duì)圍巖主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行取值。具體計(jì)算時(shí)采用的巖體基本力學(xué)參數(shù)為:GSI=55,UCS=120 MPa,mi=32。
對(duì)圍巖變形穩(wěn)定性影響相對(duì)較大的是圍巖內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造,包括巖脈、斷層和節(jié)理,其中以斷層影響相對(duì)最大,是本次計(jì)算分析中模擬的重點(diǎn)地質(zhì)條件。為此,模型中模擬了在廠房及其附近出露的18條斷層,斷層寬度一般在0.1~0.5 m,寬度超過1 m的斷層為f323沒有與地下廠房洞室群交切。地下廠房洞室群三維計(jì)算模型見圖2。
圖2 地下廠房洞室群三維計(jì)算模型示意
通過在地質(zhì)探洞高岔段的鉆孔內(nèi)進(jìn)行了水壓致裂法、應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)試,得到2種地應(yīng)力測(cè)試方法的成果基本相當(dāng)。
水壓致裂法:最大水平主應(yīng)力為N38°W-N67°W,在高程為14~100 m(即地下廠房洞室群分布高程范圍),最大水平主應(yīng)力σH量值為10.6~16.1 MPa,最小水平主應(yīng)力σh為7.2~11.1 MPa,鉛直應(yīng)力σv為8.9~11.4 MPa。應(yīng)力隨深度(埋深H)變化線性關(guān)系較好,最大(σH)與最小(σh)水平主應(yīng)力隨深度變化相關(guān)關(guān)系式:
σH=9.00+0.015(H-100)
(1)
σh=5.40+0.014(H-100)
(2)
應(yīng)力解除法:最大水平主應(yīng)力為N38°W-N67°W,在高程25~-120 m(即地下廠房洞室群分布高程范圍),最大水平主應(yīng)力σH量值為11.2~-12.5 MPa,最小水平主應(yīng)力σh為8.5~11.0 MPa,鉛直應(yīng)力σv為8.7~11.4 MPa。應(yīng)力隨深度(埋深H)變化線性關(guān)系較好,最大(σH)與最小(σh)水平主應(yīng)力隨深度變化相關(guān)關(guān)系式:
σH=6.00+0.0242(H-100)
(3)
σh=3.00+0.0212(H-100)
(4)
2種不同測(cè)試方法獲得的水平主應(yīng)力與埋深的關(guān)系如圖3所示,在地下廠房洞室群區(qū)域(埋深為300~400 m),水壓致裂法擬合公式得到的水平主應(yīng)力略大于應(yīng)力解除法的成果,但兩者在量值上的差別在1 MPa以內(nèi)。具體計(jì)算分析時(shí)采用水壓致裂方法擬合公式(地應(yīng)力相對(duì)更大)。圖4表示了模型所模擬的初始地應(yīng)力場(chǎng)分布,最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹55°W,從應(yīng)力張量圖可以看到實(shí)測(cè)地應(yīng)力的上述基本特征得到了正確體現(xiàn),可以作為本次計(jì)算分析的基礎(chǔ),進(jìn)行洞室開挖和支護(hù)的模擬分析。
圖3 地下廠房區(qū)域?qū)崪y(cè)地應(yīng)力特征示意
圖4 模型模擬的初始地應(yīng)力場(chǎng)分布示意
根據(jù)洞群規(guī)模,施工組織設(shè)計(jì)需要,主副廠房洞分為7層開挖,主變洞分為3層開挖,尾水閘門室分為3層開挖分步開挖設(shè)計(jì)方案(見圖5)。
地下洞室支護(hù)設(shè)計(jì)通常遵循以下原則:遵循“以已建、在建工程經(jīng)驗(yàn)和工程類比為主,巖體力學(xué)數(shù)值分析為輔”的設(shè)計(jì)原則;采取支護(hù)與排水并重的設(shè)計(jì)原則;充分發(fā)揮圍巖本身的自承能力,圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)遵循“噴錨柔性支護(hù)為主、剛性支護(hù)為輔,系統(tǒng)支護(hù)為主、局部加強(qiáng)支護(hù)為輔”的設(shè)計(jì)原則;對(duì)于有地質(zhì)缺陷的局部洞段以及在結(jié)構(gòu)和功能上有特殊要求的洞室,采用噴錨支護(hù)和鋼筋混凝土襯砌相結(jié)合的復(fù)合支護(hù)方式[10-12]。
根據(jù)廠區(qū)的實(shí)際地質(zhì)條件、洞室規(guī)模等,類比我國(guó)已建、在建的抽蓄工程,初擬3大洞室的支護(hù)參數(shù)方案見表1。此外,對(duì)于主廠房上下游邊墻受斷層影響的部位,考慮設(shè)置加強(qiáng)錨桿Φ28、L=9 m/12 m,根據(jù)開挖后的實(shí)際地質(zhì)情況,局部考慮設(shè)置隨機(jī)預(yù)應(yīng)力錨索100 t級(jí)、L=25 m。地下廠房洞室群采用錨噴支護(hù)柔性襯砌作為洞室永久性襯砌支護(hù)。對(duì)于洞室相互交叉的部位,由于爆破松動(dòng)影響,圍巖變形應(yīng)力分布條件復(fù)雜,則采用超前錨桿和鋼筋混凝土鎖口襯砌以保安全。
本次計(jì)算進(jìn)行了分步開挖不支護(hù)、分步開挖分步錨桿支護(hù)兩者種工況的模擬,前者側(cè)重揭示圍巖穩(wěn)定特征,后兩者的對(duì)比分析說明2種不同支護(hù)方案的支護(hù)效果。
圖5 地下廠房洞室群分步開挖設(shè)計(jì)方案示意
表1 地下廠房洞室群主要支護(hù)參數(shù)
6 地下廠房圍巖穩(wěn)定計(jì)算分析
圖6、圖7為開挖不支護(hù)和開挖支護(hù)條件下圍巖變形場(chǎng)分布,表2為支護(hù)后地下廠房上下游邊墻變形典型點(diǎn)情況。其中開挖不支護(hù)揭示了圍巖地質(zhì)條件和洞室結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖變形的影響,計(jì)算結(jié)果顯示,洞室結(jié)構(gòu)特征(規(guī)模和形態(tài))是影響變形分布的控制性因素,主廠房邊墻中上部區(qū)域變形量相對(duì)最大,其余部位因?yàn)槎词乙?guī)模小很多,變形量也相對(duì)低很多。斷層的工程影響通過與結(jié)構(gòu)的關(guān)系體現(xiàn),由于斷層與洞室軸線交角較大(軸線布置設(shè)計(jì)時(shí)避開了與斷層的不利組合),其影響程度總體較小,在廠房邊墻一帶出露時(shí)的影響相對(duì)較大一些,但范圍相對(duì)有限,對(duì)局部圍巖起作用。
支護(hù)可以比較有效地控制洞室群的“不良”變形,所謂不良變形,指開挖彈性釋放以外的變形,包括后續(xù)開挖的應(yīng)力擾動(dòng)、斷層變形、圍巖屈服變形等。因此,支護(hù)的作用也主要體現(xiàn)在“不良”變形相對(duì)比較明顯的部位,即主廠房?jī)蓚?cè)邊墻、尤其是與其他洞室交界和存在斷層影響的部位,而其他洞室圍巖變形量相對(duì)較低,“不良”變形相對(duì)更小,支護(hù)對(duì)不良變形的制約作用沒有得到充分體現(xiàn),此時(shí)的支護(hù)系統(tǒng)主要起到安全儲(chǔ)備的作用,與開挖不支護(hù)時(shí)相比,支護(hù)可以使廠房邊墻一帶的最大變形量減低5~10 mm。圍巖支護(hù)后的最大變形為60.4 mm,位于斷層f338下盤廠房上游側(cè)邊墻中部,上下游邊墻與斷層f318、f338、f339交切位置的一般變形為30~50 mm,非斷層影響區(qū)域位置的變形為20~30 mm。圍巖變形略高于廣東境內(nèi)抽水蓄能電站的變形量級(jí),與全國(guó)范圍內(nèi)水電站地下廠房相比,屬于正常范圍,與近年完成和目前在建的西部大型水電站地下廠房如錦屏一級(jí)、白鶴灘相比,其最大變形量要小很多,西部工程地下廠房實(shí)測(cè)最大變形量都超過100 mm。
圖6 開挖不支護(hù)條件下洞室群圍巖變形分布示意(單位:mm)
圖7 開挖支護(hù)條件下洞室群圍巖變形分布示意(單位:mm)
表2 地下廠房上下游邊墻變形典型點(diǎn)統(tǒng)計(jì)(支護(hù))
6.2塑性區(qū)特征
工程中圍巖支護(hù)系統(tǒng)對(duì)改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)的作用非常有限,如錨固系統(tǒng)能夠?yàn)閲鷰r施加的支護(hù)壓力一般不超過0.5 MPa,往往低于圍巖初始應(yīng)力水平、或者開挖過程中圍巖應(yīng)力變化量,因此,支護(hù)系統(tǒng)往往不對(duì)屈服區(qū)形成明顯影響,但可以影響斷層等結(jié)構(gòu)面非連續(xù)變形導(dǎo)致的圍巖屈服。
圖8為不支護(hù)和支護(hù)條件下發(fā)電機(jī)層48.0 m高程平切面圍巖屈服區(qū)對(duì)比,表3為支護(hù)條件下不同機(jī)組剖面典型高程塑性區(qū)深度情況。計(jì)算結(jié)果顯示,支護(hù)系統(tǒng)并不明顯地改變這兩個(gè)剖面屈服區(qū)分布特征,主要原因是支護(hù)系統(tǒng)對(duì)圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響相對(duì)有限。主廠房頂拱塑性區(qū)深度為1.2~3.0 m,邊墻塑性區(qū)深度為3~6 m(斷層f338、f318等影響位置、母線洞上方等,局部塑性區(qū)深度為7~10 m);主變洞頂拱塑性區(qū)深度為1.0~2.5 m,邊墻塑性區(qū)深度為1.0~3.0 m(斷層f318下盤影響位置塑性區(qū)深度為3~4.5 m);尾閘室頂拱塑性區(qū)深度為1~1.5 m,邊墻塑性區(qū)深度為1.0~3.0 m;主廠房、主變洞、尾閘室頂拱的系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度均超出塑性區(qū)深度,3大洞室邊墻位置的系統(tǒng)錨桿除結(jié)構(gòu)面交切位置外,系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度也均超過塑性區(qū)深度。
圖8 不支護(hù)和支護(hù)條件下E.L.48平切面圍巖屈服區(qū)對(duì)比示意(單位:m)
表3 不同機(jī)組剖面典型高程塑性區(qū)深度統(tǒng)計(jì)(支護(hù))
鑒于支護(hù)系統(tǒng)給圍巖提供的支護(hù)壓力一般在0.5 MPa以內(nèi),對(duì)圍巖最小主應(yīng)力應(yīng)力分布的影響還是存在一定的影響,特別是廠房邊墻的拉應(yīng)力區(qū)范圍和深度,在系統(tǒng)支護(hù)作用明顯得到改善。
表4為支護(hù)條件下48.0 m高程平切面典型位置廠房邊墻拉應(yīng)力區(qū),圖9、圖10分別為不支護(hù)和支護(hù)條件下E.L.48高程洞室群圍巖最大、最小主應(yīng)力分布,總體上支護(hù)后的廠房邊墻拉應(yīng)力區(qū)深度為0~6.4 m。從主應(yīng)力的分布特征看,由于巖體強(qiáng)度較高,在母線洞與主變洞交岔口拐角處,交通洞與主變、廠房交岔口拐角處等均存在較為明顯的應(yīng)力集中,最大主應(yīng)力超過40 MPa,其位置將表現(xiàn)為破裂等輕微的脆性響應(yīng)特征。從圍巖最小主應(yīng)力應(yīng)力分布看,廠房高邊墻松弛為主的變形響應(yīng)使得邊墻的的拉應(yīng)力分布較為普遍,特別是邊墻中部,目前的錨桿支護(hù)深度已基本穿過拉應(yīng)力區(qū)深度。
由于錨桿受力明顯受到斷層、節(jié)理、裂隙等影響,特別是全長(zhǎng)粘結(jié)性錨桿,在結(jié)構(gòu)面交切位置受力明顯要大于非結(jié)構(gòu)面交切位置。圖11為數(shù)值模型獲得的錨桿荷載分布,錨桿荷載最大值為250 kN(數(shù)值模型中設(shè)定的錨桿抗拉極限為250 kN),主要在于斷層f314,f317、f318,f338和f339等斷層交切的洞室邊墻位置,其他位置的錨桿軸力一般在100 kN以內(nèi),錨桿受力總體滿足設(shè)計(jì)要求。
表4 E.L.48.0高程平切面典型位置廠房邊墻拉應(yīng)力區(qū)(支護(hù))
圖9 不支護(hù)條件下E.L.48高程洞室群圍巖最大、最小主應(yīng)力分布示意(單位:MPa)
圖10 支護(hù)條件下E.L.48高程洞室群圍巖最大、最小主應(yīng)力分布示意(單位:MPa)
根據(jù)數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果表明,圍巖變形、塑性區(qū)等相比此前均有不同程度的減?。簭S房圍巖變形在20~50 mm,局部最大變形為60 mm;主廠房頂拱塑性區(qū)深度為1.2~3.0 m,邊墻塑性區(qū)深度為3~6 m(斷層交切位置7~10 m)均小于系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度,錨桿受力一般在100 kN以內(nèi),目前的系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)是合理的,針對(duì)斷層交切位置采取如9/12 m長(zhǎng)錨桿或者布置一定數(shù)量錨筋束的局部加強(qiáng)支護(hù)方案是必要的。
圖11 錨桿荷載分布示意
根據(jù)三維數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果,設(shè)計(jì)的支護(hù)方案能夠滿足廠房穩(wěn)定安全要求,斷層出露的局部部位可能存在錨桿安全性不足問題,采用隨機(jī)支護(hù)進(jìn)行局部加強(qiáng)的解決方式。