朱穎儒，張利平，石 昊

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

0 前言

水電站調壓井是一種典型的地下工程,在水電站引水發(fā)電系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用[1]。隨著應用的發(fā)展,調壓井型式越來越多樣化,大直徑異形調壓井結構的運用也越來越多,調壓井與圍巖聯合工作的條件及影響硐室穩(wěn)定性的因素愈加多樣復雜,圍巖的穩(wěn)定性和支護結構的可靠性對調壓井安全至關重要,因此,采用有限元方法對復雜地質條件下的大型地下硐室結構施工期進行圍巖穩(wěn)定的分析顯得尤為重要[1-3]。在調壓井開挖施工過程中,充分研究開挖后圍巖的應力、變形分布規(guī)律、塊體穩(wěn)定以及塑性區(qū)演化過程,不僅可以作為判斷圍巖穩(wěn)定的依據,同時也可以為硐室群支護方案的有效性進行評價[4-7]。本文以某水電站大型多岔調壓井為研究對象,通過三維有限元計算方法對調壓井開挖施工期圍巖穩(wěn)定及塊體穩(wěn)定進行分析,得到施工期調壓井圍巖的應力場、位移場及塑性區(qū)分布等特性,了解施工期圍巖穩(wěn)定情況,并據此提出合理的一期開挖支護措施型式。

1 工程概況

某水電站為混合式電站,工程主要任務是發(fā)電。該電站引水系統(tǒng)主要建筑物包括進水口、引水隧洞、調壓井和壓力管道。引水系統(tǒng)總長約5.2 km,引水隧洞襯砌后直徑11.4 m,在引水隧洞末端約4.5 km 處設置調壓井。井內連接有7 條洞室,分別為1 條引水隧洞、1 條調壓井交通洞、5 條發(fā)電洞,調壓井下游設置事故閘室,調壓井開挖斷面為圓形+扇形異形結構,最大開挖直徑為50.8 m,最大開挖跨度62.4 m,開挖深度為133.2 m,尤其是閘室頂拱部位設計半徑方向擴挖7.4 m,形成一弧形倒懸反拱,為超大直徑異形多岔調壓井結構。調壓井布置見圖1。

圖1 調壓井布置

參考類似工程,初擬一期開挖支護措施為：掛網噴混凝土（SFR40,厚10 cm）,錨桿L=9 m、間排距2 m,直徑28 mm。

2 工程地質基本條件

本工程調壓井位于山梁部位,其地下水排泄條件較好,調壓井整體位于地下水位以上。調壓井高程EL.570.00 m 以上井壁穩(wěn)定性差,為Ⅳ類圍巖，EL.506.00 m~EL.570.00 m 段井壁穩(wěn)定性一般,圍巖為Ⅲ類,斷層破碎帶及裂隙密集帶段為Ⅳ類圍巖。

調壓井段巖體中裂隙主要分為3 組，第①組產狀NW276°~300°SW ∠53°~69°,裂隙一般寬0.2 cm~0.3 cm,充填巖粉,鈣膜,局部為石英脈,地表裂隙張開,無充填,膠結一般,該組傾角陡,對調壓井井壁穩(wěn)定不利；第②組產狀NE35°~73°SE ∠60°~80°,寬0.1 cm~0.3 cm,充填巖片、巖屑,面平直較光滑,傾角陡,對調壓井井壁穩(wěn)定不利。第③組為片麻理面裂隙,NE50°~85°NW ∠15°~25°,充填巖屑,局部充填石英脈,膠結一般,面平直稍粗糙。調壓井圍巖的物理力學參數見表1,裂隙結構面力學參數見表2。

表1 調壓井圍巖物理力學參數表

表2 結構面力學參數

3 圍巖穩(wěn)定性分析

3.1 三維有限元模型的建立

根據調壓井結構及參照以往工程經驗,開挖施工過程模擬分6 個階段,即第1 階段：開挖調壓井豎井EL.615.0 m至 EL.600 m；第2 階段：開挖調壓井豎井EL.600.0 m 至EL.564.0 m；第3 階段：開挖調壓井豎井EL.564.0 m 至EL.537.0 m；第4 階段：開挖調壓井豎井EL.537.0 m 至EL.513.0 m；第5 階段：開挖調壓井豎井EL.513.0 m 至EL.497.0 m；第6 階段：開挖調壓井豎井EL.497.0 m 至EL.481.5 m,建立三維有限元模型見圖2,模型采用直角坐標系,X 軸代表順水流方向,指向下游為正；Y 軸代表垂直水流方向,左岸為正；Z 軸代表豎直方向,指向上為正。模型單元總數為382580 個,節(jié)點總數為103771 個,錨桿用桿單元模擬,圍巖用Solid 單元模擬。

圖2 調壓井計算及支護模型

3.2 三維有限元計算結果及分析

在自重初始應力場下,調壓井開挖結束后,圍巖塑性區(qū)主要出現在EL.513.0 m 以下,見圖3,在靠近流道上游,圍巖受兩側開挖的影響,塑性區(qū)的最大深度12.5 m；豎井與發(fā)電洞交叉口圍巖處于塑性狀態(tài),圍巖塑性區(qū)的最大深度5.0 m。EL.513.0 m 以上，圍巖塑性區(qū)分布的范圍很小，最大深度5.6 m,最大錨桿拉應力出現在流道開挖交叉口處,錨桿拉應力在250 MPa 以下,小于錨桿屈服強度450 MPa。EL.513.00 m以下的塑性區(qū)部分深度已經大于錨桿深度,但90%錨桿長度已經穿過圍巖塑性區(qū)或大于70%的塑性區(qū)深度；EL.513.00 m以上的錨桿長度基本穿過塑性區(qū)深度。

圖3 調壓井開挖圍巖塑性區(qū)分布

調壓井自重應力場較小,水平面開挖輪廓基本呈圓形,因此,調壓井每一階段開挖卸荷的最大水平變形增加幅度較小,調壓井開挖結束后由于開挖引起的最大水平變形約為8.1 mm。每一階段開挖后最大水平變形見圖4。

圖4 每一階段開挖后最大水平變形

圖5 EL.615~EL.513 的楔形體分布及支護圖

圖6 EL.513~EL.495 的楔形體分布及支護圖

圖7 EL.495~EL.481.5 的楔形體分布及支護圖

3.3 塊體穩(wěn)定分析

基于塊體理論對幾組裂隙可能組成的塊體進行塊體穩(wěn)定分析,其結果如下：

（1）在圍巖中延伸深度較大的塊體,自然狀態(tài)下,即不考慮支護,安全系數大于1.5。

（2）在噴錨系統(tǒng)支護下,井壁上所有楔形體安全系數大于1.5,說明一期支護措施滿足要求。

（3）在施工開挖過程中,如果一期系統(tǒng)支護措施不及時或不支護,由于開挖卸荷,巖體松弛的影響,巖體的結構面凝聚會大幅度降低,甚至降到0,當等于0 時,部分塊體的安全系數小于1.0,因此,若不及時施加一期系統(tǒng)支護措施,圍巖就會發(fā)生漸進性的剝落或塌落破壞,拖延的時間過長,甚至會導致較大的塌方。

3.4 支護措施優(yōu)化結果

根據施工力學過程三維有限元模擬計算和塊體穩(wěn)定分析,提出的支護措施為：掛網噴混凝土（SFR40,厚10cm）；EL.513.0 以上布置系統(tǒng)錨桿,直徑32 mm,長度6.0 m/4.5 m,間距2 m×2.0 m（水平向×豎直向）矩形布置； EL.481.5 至EL.513.0 布置系統(tǒng)錨桿,直徑32 mm,長度9 m,間距2 m×2.0 m（水平向×豎直向）矩形布置；考慮EL.513 m 上部反拱穩(wěn)定需要,在EL.513 m 高程倒懸體以上布置5 排直徑32 mm,長度12 m,間距1 m×1 m 的長錨桿。

4 現場開挖方式及支護效果分析

根據調壓井結構及布置形式,分別在井口以下20 m（EL.596.00 m）及閘室倒懸體上部2.3 m（EL.516.00 m）處布置多點位移計、錨桿應力計及測縫計等,圖8 中R 代表錨桿應力計,M 代表多點位移計。

圖8 調壓井監(jiān)測儀器布置圖

為滿足施工工期要求及合理配置現場資源,調壓井開挖時并未采取全斷面開挖下降方式,而是將井劃分為三個區(qū)域,分別進行鉆孔、出渣、支護作業(yè),采用環(huán)向工序循環(huán)加縱向工序循環(huán)的方式進行開挖,開挖面高程呈環(huán)向階梯狀螺旋下降,各分區(qū)面積基本相同,見圖9。

圖9 調壓井開挖分區(qū)布置圖

EL.513.70 m 以下事故閘室反拱開挖方式見圖10：EL.513.70 m 反拱上部L=12 m 錨桿先安裝就位,按井筒上部斷面挖至EL.507.50 m,再按圖5 所示挖掉6.2 m×6.2 m×7.3 m的巖體,隨即實施該巖體范圍內噴錨支護,然后按相同步驟向兩側擴挖并支護,最后沿高程下挖。

圖10 調壓井事故閘室反拱開挖示意圖

監(jiān)測數據見圖11~圖12,錨桿應力與圍巖變形相對較大區(qū)域與三維有限元計算結果規(guī)律一致,均發(fā)生在開挖交叉處,調壓井圍巖整體變形及錨桿應力均滿足設計要求,圍巖開挖支護后整體穩(wěn)定很好,基本沒有發(fā)生局部塌方,說明原設計支護措施和豎井開挖工藝是成功的,獲得良好的經濟效益。

圖11 錨桿應力計監(jiān)測值

圖12 多點位移計監(jiān)測值

事故閘室倒懸處實測值比計算值大幅度偏小的主要原因可以歸結于以下三個方面,一是由于實際開挖瞬間卸荷,計算得出的變形是豎井整個開挖全過程變形完整的積累,不存在時間滯后效應,而多點位移計監(jiān)測到的變形通常具有很大的滯后效應,對于本工程來說,埋在高程516.0 m 的多點位移計基本測不到高程516.0 m 以上開挖卸荷引起的圍巖變形,主要測到的是5 階段和6 階段的開挖變形即高程516.0 m 至高程481.5 m 段巖體開挖所引起的變形,根據圖4 可得出該階段開挖所引起的總變形約為1.5 mm~3.9 mm,是圖12 最大監(jiān)測變形值的0.94~2.45倍；二是巖體是一種非常不均勻介質,難以給出準確的物理力學特性指標；三是巖體初始地應力分布和量值也存在不準確性。

5 結語

（1）通過對某大型多岔調壓井結構施工開挖期圍巖穩(wěn)定及塊體穩(wěn)定分析,得到圍巖變形、塑性區(qū)分布等特性,提出了技術上可行、經濟效果比較顯著的圍巖支護措施。

（2）根據現場實測監(jiān)測數據分析,圍巖最大變形區(qū)域與三維計算結果規(guī)律一致,最大變形與錨桿應力實測值均與擬定的開挖方式下的計算成果具有很好的一致性。

（3）大型豎井開挖支護后的效果和監(jiān)測結果表明優(yōu)化的開挖方式對圍巖穩(wěn)定起到一定作用,優(yōu)化的支護措施是可行的。