中梁一級水電站地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定的分析方法

劉 婷

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000)

1 工程概述

中梁一級水電站位于重慶市巫溪縣境內(nèi)，為大寧河干流梯級開發(fā)的龍頭電站，壩址位于中梁鄉(xiāng)，距巫溪縣城49 km。地下廠房位于壩址下游8 km的半溪溝口，主要建筑物包括主、副廠房、主變洞、尾閘室、進廠交通洞、主廠房排風洞、出線洞、尾水隧洞等。廠房安裝3臺單機容量為24 MW的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量72 MW。工程于2006年10月開工建設，2012年完工。

2 地下廠房圍巖地質(zhì)條件

地下廠房布置于右岸山體中，方向為NE36°，上覆巖體厚度約150 m，水平埋深約105 m。洞室群圍巖為三疊系大冶組薄至中厚層泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，新鮮巖石的飽和抗壓強度為50～80 MPa。巖層走向為NW278°～290°，傾向SW，傾角64°～68°，圍巖類型為Ⅱ類～Ⅲ類。廠區(qū)地層巖溶不發(fā)育，洞室位于地下水位之下，巖體透水率為0.5～2 Lu。

3 地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定分析

3.1 地下廠房洞室群布置

廠房三大主洞室采用平行布置方式(圖1)，從上游向下游分別為主廠房、主變室、尾閘室，洞室間巖壁厚度分別為24.2 m和14 m。主廠房尺寸為57.6 m×16.3 m×36.6 m(長×寬×高)，主變室尺寸為35 m×12.1 m×21.6 m(長×寬×高)，尾閘室尺寸為19.3 m×10.1 m×11 m(長×寬×高)。尾水系統(tǒng)采用三機一洞的布置方式。主要洞室剖面見圖2。

3.2 分析方法

針對中梁一級水電站地下廠房洞室群的地形、地質(zhì)條件和結構布置型式，采用FLAC3D程序模擬圍巖及支護的三維力學行為進行三維數(shù)值仿真分析研究圍巖的穩(wěn)定性。主要研究內(nèi)容包括：

(1)模擬廠區(qū)的實際地形、地質(zhì)條件，根據(jù)實測的初始地應力點及其測值，建立合理的廠區(qū)初始地應力反演回歸分析模型，對廠區(qū)初始地應力場進行反演分析計算。

(2)對地下廠房洞室群采用無支護、噴錨支護方案的圍巖穩(wěn)定進行分析與比較，研究合理的地下廠房洞室群布置格局及主洞室合理的間距，根據(jù)初擬的地下廠房洞室群的開挖程序，研究最佳的開挖方案。

(3)在確定廠房位置、主洞室合理間距及施工開挖順序后，分析比較各種支護措施下圍巖與錨固系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，對圍巖支護參數(shù)進行優(yōu)化選擇。

(4)針對地下廠房巖體物理力學參數(shù)的變化，對地下廠房洞室群圍巖的穩(wěn)定性進行敏感性分析。

3.3 研究成果

(1)數(shù)值分析成果表明，中梁一級水電站地下廠房洞室群圍巖在各種分析工況下都能維持穩(wěn)定狀態(tài)，洞室群的結構布置合理、可行。

(2)初始地應力場的選取對計算結果影響較大。

(3)洞室群圍巖最大的位移區(qū)發(fā)生在主廠房洞室上下游邊墻的中部范圍；從應力分布看，地下廠房洞室圍巖出現(xiàn)了一定范圍內(nèi)的拉應力區(qū)，除局部拉應力略大于1 MPa外，其余部位的拉應力均小于1 MPa；從塑性區(qū)分布情況看，最危險部位發(fā)生在各洞室之間的巖體、洞口交接處巖體等部位。

圖1 地下廠房平面布置示意圖

圖2 主要洞室剖面圖

(4)采用錨桿支護措施，可以有效地減少廠房上下游邊墻巖體在后續(xù)開挖過程中引起的變形，同時可以減小或消除圍巖中的拉應力，說明適當設置錨桿對增加邊墻的穩(wěn)定性十分必要。在主變室和主廠房之間的巖體設置對拉預應力錨索對增加巖體的穩(wěn)定性十分有利，在洞室開挖過程中，錨索發(fā)揮了較好的作用。

(5)敏感性分析表明：巖體內(nèi)摩擦角的取值對圍巖穩(wěn)定的影響較大。

4 結 語

中梁一級水電站地下廠房洞室群的三維數(shù)值仿真分析計算表明：選擇合理的支護型式、支護范圍及支護參數(shù)，可以有效改善圍巖的應力分布和變形狀況，同時可對支護工程進行有效地優(yōu)化，有利于減少投資并縮短工期。因此，采用三維數(shù)值仿真分析方法對地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定進行分析計算，可以為地下廠房的結構布置及圍巖支護設計提供依據(jù)和驗證，不失為一種行之有效的分析計算方法，可為類似工程的設計和研究提供一定的參考。

作者簡介:

劉 婷(1968-)，女，湖南攸縣人，副設計總工程師，高級工程師，學士，從事水電站設計工作.