蟠龍抽水蓄能電站地下廠房頂拱軟巖分布與支護(hù)影響分析

王 槐，蘇 超，張 峰，熊治富

(1.重慶蟠龍抽水蓄能電站有限公司，重慶401452；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098)

0 引 言

近年來，我國大型水電站多采用地下式廠房，廠房的開挖破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布，隨著地下廠房不斷開挖，應(yīng)力重分布區(qū)域逐漸增大，最終使得圍巖承受的荷載過大而失穩(wěn)破壞。為了防止洞室失穩(wěn)，要對(duì)洞室進(jìn)行支護(hù)，以提高圍巖的整體性，限制圍巖的變形。國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作來優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)[1]，楊映等[2]結(jié)合思林水電站地下廠房支護(hù)施工實(shí)際，對(duì)地下工程常用的幾種支護(hù)形式如噴混凝土、鋼筋網(wǎng)、錨桿、錨索等進(jìn)行了分析討論；謝思思等[3]針對(duì)漫灣水電站二期工程地下廠房圍巖穩(wěn)定性總體較差的情況，設(shè)計(jì)聯(lián)合支護(hù)方案，并確定基本支護(hù)參數(shù)，進(jìn)行了大量的設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整工作；胡林江[4]針對(duì)溧陽抽水蓄能電站地下廠房的工程地質(zhì)條件，對(duì)地下廠房設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行分析，采用聯(lián)合支護(hù)形式，對(duì)F54斷層和開挖過程中情況異常部位采取了有針對(duì)性的加固措施；彭薇薇等[5]針對(duì)大發(fā)水電站在頂拱開挖后揭示出f1斷層及其他四組裂隙，地質(zhì)條件較可研階段發(fā)生了較大變化的情況，對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行了重新研究，確定采用全斷面鋼筋混凝土襯砌的支護(hù)形式；胡正凱等[6]針對(duì)句容抽水蓄能電站地下廠房洞室群復(fù)雜的工程地質(zhì)條件擬定3種不同的支護(hù)方案，運(yùn)用3DEC建立數(shù)值分析模型，對(duì)不同支護(hù)方案進(jìn)行圍巖穩(wěn)定分析，最終確定適合該地下廠房洞室群的合理支護(hù)措施。本文針對(duì)蟠龍抽水蓄能電站地下廠房頂拱存在有軟巖層這一具體問題，針對(duì)若實(shí)際地質(zhì)情況與勘測情況不符時(shí)，即軟巖厚度增加或可能出現(xiàn)的硬巖貫穿裂隙情況進(jìn)行研究，分析有支護(hù)條件下的頂拱圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)作用效果。

1 工程地質(zhì)條件

重慶蟠龍抽水蓄能電站位于重慶市綦江區(qū)中峰鎮(zhèn)境內(nèi)，電站裝機(jī)容量 1 200 MW(4× 300 MW)，屬一等大(1)型工程，主要永久性建筑物按1 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。地下洞室區(qū)穿越夾關(guān)組(K2j)和蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)兩組地層，夾關(guān)組(K2j)地層為紫紅色厚～巨厚層礫巖、砂巖、粉砂巖及泥巖，其中礫巖、砂巖一般占76.4%，粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖占14.7%，泥巖、粉砂質(zhì)泥巖占8.9%；蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)地層為紫灰至綠色砂巖、粉砂巖、泥巖等，其中砂巖占32.5%，粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖占25.9%，泥巖、粉砂質(zhì)泥巖占41.6%；由巖性組合情況可知，輸水系統(tǒng)洞室以砂巖為主，約占75%。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

模擬蟠龍抽水蓄能電站地下洞室群實(shí)際洞體結(jié)構(gòu)(全部機(jī)組段)和廠區(qū)實(shí)際地形及地質(zhì)條件(包括各類結(jié)構(gòu)面等)，建立如圖1所示的三維有限元計(jì)算模型。模型原點(diǎn)取在1號(hào)機(jī)組中心，原點(diǎn)高程為451.9 m。主廠房軸線方向?yàn)閄軸，指向副廠房方向?yàn)檎?，垂直于主廠房軸線方向?yàn)閅軸，指向主變室方向?yàn)檎?，豎直方向?yàn)閆軸，向上為正。模型計(jì)算范圍：廠房軸線方向取669 m，左側(cè)離主廠房左側(cè)墻體250 m，右側(cè)離主廠房右側(cè)墻體250 m，其中機(jī)組段共169 m；上游離主廠房上游墻250 m，下游離主變室下游墻200 m；垂直方向向下為主廠房底板以下200 m，向上為主廠房頂拱至地表面。計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為102 542，單元數(shù)為594 312。計(jì)算采用Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則。數(shù)值計(jì)算中所選用的各類巖體的材料參數(shù)如表1所示。

圖1 三維有限元模型

圍巖類別ρ/kg·m-3E/GPaνc/MPaφ/(°)III類圍巖(594 m高程以上)2 5507.00.2300.90045.00III類圍巖(594 m高程以下)2 5507.50.2300.95046.40IV類軟巖2 5004.50.2600.35033.00IV～V類軟巖2 4603.90.2680.30530.96

2.2 關(guān)鍵點(diǎn)選取

為了簡便直觀的說明主廠房頂拱在不同工況下的位移變化特征，選取了具有代表性的關(guān)鍵點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)的位置見圖2。

圖2 洞周關(guān)鍵點(diǎn)示意(單位：m)

2.3 支護(hù)參數(shù)

設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)：襯砌，噴鋼纖維混凝土厚0.2 m；錨桿為預(yù)應(yīng)力錨桿Φ32/28 mm@1.125 m×1.5 m，L=9 m/6 m菱形布置，T=100 kN；錨索數(shù)據(jù)為L=28～35 m，8排，間距4.5 m，T=2 000 kN/1 500 kN。圖3為錨桿、錨索的平面布置示意。

圖3 錨桿、錨索平面示意

2.4 計(jì)算工況

選取3種不同的地質(zhì)條件，分別分析其穩(wěn)定性以及支護(hù)效果。

(1)工況1在頂拱上部的軟巖與主廠房頂拱之間距離5.0 m，軟巖最薄處厚度0.8 m，貫穿整個(gè)模型。

(2)工況2在工況1基礎(chǔ)上增加軟巖厚度，軟巖下部水平、距拱頂1.0 m。

(3)工況3在工況1基礎(chǔ)上假設(shè)有1條1 m厚的軟巖與廠房頂拱聯(lián)通，軟巖傾角為60°。

圖4 無支護(hù)和設(shè)計(jì)支護(hù)情況下3號(hào)機(jī)組各工況斷面洞周圍巖塑性區(qū)分布

3 計(jì)算結(jié)果

表3為主廠房頂拱開挖結(jié)束后，無支護(hù)和設(shè)計(jì)支護(hù)下3號(hào)機(jī)組各工況斷面洞周圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位移值，圖4給出了各工況塑性區(qū)分布示意。從中可以看出：設(shè)計(jì)工況(工況1)下，無支護(hù)時(shí)拱頂向下收縮，拱座向外擴(kuò)張；軟巖、拱座和右側(cè)拱肩均有塑性區(qū)發(fā)育。在支護(hù)作用下拱頂鉛直向位移收縮值減小了7.13%，拱座水平位移擴(kuò)張值增大；軟巖和拱肩的塑性區(qū)發(fā)育程度降低。軟巖加厚工況(工況2)下，頂拱以上軟巖范圍增大，軟巖底部與拱頂?shù)木嚯x減小，因而塑性區(qū)范圍顯著變大，拱頂位移也大幅增加。在支護(hù)作用下，塑性區(qū)發(fā)育程度明顯降低，拱頂位移值減小了21.22%。與工況1相比，支護(hù)效果顯著增加，支護(hù)利用率大大提高。頂拱硬巖裂隙有聯(lián)通工況(工況3)下，軟巖下游部分和聯(lián)通區(qū)域軟巖均進(jìn)入塑性狀態(tài)，位移較工況1也有所增大。在支護(hù)作用下，軟巖塑性區(qū)發(fā)育程度降低，并且兩軟巖的塑性區(qū)斷開，拱頂位移值減小了10.63%。該地質(zhì)條件下圍巖穩(wěn)定性弱于工況1，但遠(yuǎn)比工況2好，而支護(hù)利用率遠(yuǎn)低于工況2。支護(hù)能提高圍巖的整體性，控制圍巖變形，并能減小塑性區(qū)范圍，降低塑性區(qū)的發(fā)育程度。圍巖穩(wěn)定性越差時(shí)，支護(hù)的利用率就越高，越能充分發(fā)揮其作用。

表3 各工況下3號(hào)機(jī)組斷面洞周關(guān)鍵點(diǎn)位移值 mm

4 結(jié) 論

本文建立了蟠龍抽水蓄能電站地下廠房區(qū)域的三維有限元模型，分析了不同地質(zhì)條件下主廠房頂拱的圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)效果。結(jié)果表明：頂拱區(qū)域地質(zhì)條件越差時(shí)，拱頂位移越大，塑性區(qū)發(fā)育程度也越大；在支護(hù)作用下，位移減小，塑性區(qū)發(fā)育程度降低，且能使一些危險(xiǎn)的構(gòu)造如塊體等變得相對(duì)安全；圍巖穩(wěn)定性越差時(shí)，支護(hù)所能發(fā)揮的作用也越大。分析成果可為頂拱的支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。