溪洛渡水電站地下廠房洞室群施工期圍巖穩定性分析

張恩寶，樊熠瑋，趙曉峰

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，國家能源水電工程技術研發中心大型地下工程分中心，四川 成都 610072)

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溪洛渡水電站地下廠房洞室群施工期圍巖穩定性分析

張恩寶，樊熠瑋，趙曉峰

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，國家能源水電工程技術研發中心大型地下工程分中心，四川 成都 610072)

溪洛渡水電站地下廠房洞室群洞室密集、上下分層、縱橫交錯，主體洞室邊墻高、跨度大，洞周層內層間水平狀錯動帶及節理裂隙發育，頂拱易形成懸臂卸荷掉塊，邊墻松弛變形較大，且局部存在淺層滑動塊體，對地下洞室群的穩定不利。本文首先采用三維損傷彈塑性有限法對擬定開挖方案的圍巖穩定性進行分析，確定了合理的洞室開挖順序。施工期階段，隨著開挖的進行，及時對監測數據進行分析和洞周圍巖反饋分析，結果表明，在系統支護作用下，開挖完成后，應力和變形量值總體較小，圍巖整體穩定是有保證的。針對局部穩定問題，通過多方面分析，及時調整設計，避免了局部不穩定現象的發生，實現了動態化設計的思路，對類似工程具有指導和借鑒作用。

水電工程；溪洛渡水電站；地下廠房洞室群；高邊墻；監測；圍巖穩定；反饋分析

0 前 言

我國西南地區水能資源蘊藏量約70萬MW，技術可開發裝機容量約55萬MW，均居世界首位。然而，占據超過全國70%水電資源的西南地區，區域地震地質條件十分復雜，自然生態環境十分脆弱，山高坡陡，地面布置場地非常有限，經常選擇地下洞室群作為水力發電建筑物。西南地區特殊的地形、地質、環境和水力條件要求興建一大批水電站地下工程，而特殊的地形、地質、環境和水力條件又給地下工程的設計和建設帶來了巨大挑戰。

繼二灘水電站大型地下廠房建設后近30年來，大型地下洞室群的設計、施工和管理的理論、方法、技術和措施都取得了長足的發展，但水電站大型地下洞室群工程 “超、大、難”現狀決定了所需要面臨的挑戰依然艱巨。目前一些水電站地下工程洞室規模巨大，其主體洞室跨度接近或超出30 m，高度可達到80～90 m，長度可達400～500 m，主體洞室與壓力管洞、母線洞、尾水管洞以及通向地面的出線洞(井)、通風洞(井)、交通洞、尾水隧洞、排水洞等附屬洞室一起，形成規模宏大、縱橫交錯的地下工程。因此，地下廠房洞室群圍巖穩定成為設計方案成敗的關鍵。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣接壤的金沙江溪洛渡峽谷，是金沙江下游河段梯級開發規劃的第三個梯級，是一座以發電為主，兼有攔沙、防洪和改善下游航運等綜合利用效益的巨型水電工程。水庫正常蓄水位600 m，水庫總庫容126.7億m3，調節庫容64.6億m3。電站樞紐由擋水建筑物、泄洪消能建筑物和引水發電建筑物等組成。發電廠房布置在拱壩上游兩岸山體內，左右岸各安裝9臺單機容量為770 MW的發電機組，總裝機容量13 860 MW；地下廠區分別由主廠房、副廠房、主變室、尾調室、壓力管道、母線洞、尾水管、尾水隧洞、出線井以及通排風系統、防排系統等組成，構成以三大洞室為主體、縱橫交錯、上下分層的大規模的地下洞室群。

地下洞室群的主廠房、主變室、尾水調壓室三大洞室平行布置，尾水調壓室頂拱中心線與廠房機組中心線間距為149 m，主變室頂拱中心線與廠房機組中心線間距為76 m。三大洞室的設計開挖尺寸分別為：廠房為443.34 m×75.6 m×28.4 m(長×高×寬)，主變室設計開挖尺寸為352.89 m×33.32 m×19.8 m(長×高×寬)，尾調室設計開挖尺寸為317.0 m×95.0 m×25.0 m(長×高×寬)，三維布置見圖1。

1.2 地質條件

左岸地下廠房軸線方向為N24°W，水平埋深360～450 m，垂直埋深340～480 m；右岸地下廠房軸線為N70°W，水平埋深330～450 m，垂直埋深380～460 m。圍巖主要由P2β2～P2β6層致密狀玄武巖、含斑狀玄武巖及各層上部的角礫集塊熔巖組成，巖體新鮮堅硬，完整性較好，多呈塊狀結構，以Ⅱ類圍巖為主，部分為Ⅲ1類圍巖，地下廠房頂拱附近分布少量Ⅳ1類圍巖。主要結構面為層間、層內錯動帶和節理裂隙，層間錯動帶總體不發育。巖體物理力學參數見表1。

圖1 溪洛渡水電站地下洞室群三維布置

巖體代號水平變形模量/GPa垂直變形模量/GPa泊松比μ容重/kN·m-3抗剪斷強度f′C’/MPaⅡ21．514．00．20271．352．5Ⅲ113．511．00．25261．222．2Ⅲ26．05．00．25251．201．4Ⅳ13．53．00．30241．021．0C3～C51．751．750．32250．550．25Lc0．900．900．32250．440．10

注：C3～C5為層間錯動帶，Lc為層內錯動帶。

廠區的地下水活動微弱，洞壁一般干燥，局部潮濕～滴水。在空間分布上具有間隔式帶狀分布的特點，透水性較強段均為層間、層內錯動帶發育地段?？傮w來說巖層透水性較弱，地下水不發育。

實測初始地應力測試成果表明，地下廠區初始地應力量值和方向變化較小，地應力場分布較穩定，最大主應力σ1為16～18 MPa，方向N60°～70°W，接近水平；σ3為5～7 MPa，方向N20°～30°E，接近水平。

2 開挖順序及支護參數

溪洛渡地下廠房洞室群洞室密集，主體洞室邊墻高、跨度大，開挖及支護工程量巨大。合理的開挖方式和開挖順序不僅直接影響到地下洞室群的圍巖穩定，還關系到地下洞室群的施工工期，并影響工程投資和效益。

2.1 前期開挖順序研究

根據選定的洞室群布置格局、洞室軸線和洞室間距，假定在無支護條件下洞室群分七期開挖完成，擬定4個施工開挖順序方案：

(1)廠房和尾水調壓室同時開工，主變室在廠房上部開挖完成后開始開挖；

(2)廠房、主變室和尾水調壓室幾乎同時開工；

(3)廠房和尾水調壓室同時開工，主變室在廠房上、中部開挖完成后開始開挖；

(4)廠房先開工，尾水調壓室和主變室在廠房上部開挖完成后開始開挖。

4個施工開挖順序方案中廠房開挖期相對固定，不同的是調整主變室和尾水調壓室的開挖期時段，特別是主變室的開挖期時段變化最大。

針對不同施工開挖順序，采用三維非線性彈塑性損傷有限法進行分析，通過分析比較，方案(1)塑性耗能總量最小，塑性巖體體積最少，開裂巖體積和巖體破壞總量較少；頂拱下沉位移和邊墻位移最小或較小，方案(1)最優[1]。

2.2 施工期開挖順序

根據上述方案(1)明確的開挖順序及已建工程經驗，結合目前的施工技術手段、施工機械設備和施工通道布置，按施工組織設計要求，主廠房分10層開挖，主變室分4層開挖，尾水調壓室分12層開挖，開挖方案見圖2。

該開挖順序的主要特點有：

(1)先開挖主廠房和尾調室，在主廠房和尾調室頂拱開挖、支護及驗收完成后，主變室滯后一期開挖;

(2)頂拱開挖按照“短進尺、弱爆破、強支護”的原則，采用中導洞先行，兩側擴挖的方式進行;

(3)交叉部位的開挖堅持“先洞后墻”原則;

(4)主機間機坑開挖按照分序跳洞的原則;

(5)在主廠房開挖至中部時適時開挖尾水管，按照間隔開挖的原則進行[2]。

2.3 支護參數

結合數值分析、模型試驗和工程類比成果，綜合專家意見，最終確定并實施的地下廠房三大洞室系統支護參數見圖3。

3 監測成果

3.1 監測布置

左右岸廠區監測儀器布置基本相同。左岸在1號、3號、5號、7號、9號機組中心線及安裝間共布置6個監測斷面；右岸在10號、12號、14號、16號、18號機組中心線及安裝間共布置6個監測斷面。儀器主要為多點位移計、錨桿應力計和錨索測力器，錨桿應力計、錨索測力計與多點位移計成對布置，相互驗證。典型監測斷面多點位移計布置見圖4。

圖2 地下洞室群分期開挖方案示意

圖3 地下廠房三大洞室系統支護

圖4 典型監測斷面多點位移計布置

為取得洞室開挖全過程位移，采取如下措施：

(1)洞室開挖前，灌排廊道預埋了大量的監測儀器，監測開挖全過程圍巖位移;(2)頂拱中導洞開挖完成后，即刻埋設拱頂監測儀器，并采用機械量測，取得頂拱上下游半幅開挖工程中的位移量;(3)洞室邊墻監測儀器及時埋設，洞室開挖一層后，待該層監測儀器埋設完成，才進行下層開挖。

3.2 監測成果

3.2.1 監測量值

至2010年3月，左岸地下廠房最大監測位移為53.20 mm，其中88.7%監測位移小于20 mm；支護錨桿最大監測拉應力為281.36 MPa，其中84.8%監測應力小于100 MPa。右岸地下廠房最大監測位移為32.30 mm，其中94.9%監測位移小于20 mm；支護錨桿最大監測拉應力為289.42 MPa，其中84.6%監測應力小于100 MPa。總體上，三大洞室整體位移不大，變位較大部位主要集中在高邊墻的中部附近，位移較大部位與開挖施工及巖體質量有很大關系，同時與錨桿應力監測值存在較好的對應關系[3]。圖5給出了左岸主監測斷面5號機洞周多點位移計實測變位。

圖5 左岸5號機三大洞室開挖完成后洞周多點位移計實測變位(單位：mm)

3.2.2 變形速率

位移速率是判別圍巖穩定性的標志之一。溪洛渡水電站地下廠房位移變化曲線大致呈臺階狀，存在突變點，其與周圍巖體開挖爆破關系密切，累計變形絕大部分由開挖爆破引起，開挖間歇時變形緩慢增長，逐漸進入收斂階段，巖體卸荷量值很小(見圖6)。每個上升臺階都對應一個速率峰值，峰值達0.3 mm/d，有的甚至達0.6 mm/d；峰值過后速率急劇降低，并一直保持在較低水平(0.1 mm/d以內)，直至下一個峰值，如此反復至分層開挖結束，圍巖進入收斂狀態。速率出現峰值時期基本與爆破施工對應。

通過分析，少數點的變形速率在短時間內較大，但其在后期逐漸趨于穩定，而大多數分布在0.02～0.05 mm/d范圍內。三大洞室開挖完成后，洞周位移基本趨于穩定狀態，說明地下洞室群圍巖的整體穩定性良好。

4 反饋分析

在施工過程中，根據開挖揭示的地質條件和監測數據，在監測資料合理性分析的基礎上，開展了全過程的平面和三維的反饋分析工作，對各級開挖后的洞周圍巖位移、塑性區分布、應力以及錨桿錨索應力進行了分析，并對后續開挖進行預測分析。最后從總體上對開挖完成后洞室圍巖的穩定狀態做出合理的評價，對施工開挖過程中整體地下廠房洞室群的施工穩定提出合理建議。反饋分析貫徹了動態設計的原則，確保了施工過程安全和圍巖穩定。

(a)M4088-CR各深度測點過程線 (b)M4088-CR表面點位移速率

圖6 典型“臺階”位移特征示意

4.1洞周變位與應力

由于溪洛渡地層巖性較好，合理的施工開挖措施對圍巖的擾動也較小，因此洞室群總體位移不大，洞室開挖完成后，巖體均向洞內變形，變形主要發生在約1.5倍洞徑以內。洞周位移較大，離洞周越遠，圍巖位移越小，洞室交口處的位移變化較大，洞周特別是邊墻及洞室交口的變形受開挖擾動影響較大。位移基本在40 mm以內，大多分布在20 mm以內，頂拱最大位移為27.5 mm，發生在主廠房18號機處，邊墻最大位移為41.5 mm，發生在10號機尾水調壓室上游邊墻中部。

14號機主廠房邊墻部位M3019監測位移與計算相對位移對比成果見圖7?？梢钥闯觯瑴y點位移擬合情況總體較好，測點誤差基本控制在0.5 mm以內，排除部分奇異數據后，誤差較大數據與局部地質條件密切相關，反演成果具有較高可信度。

開挖完成后，洞室群洞周第一主應力為-32.00～17 MPa，第三主應力為-8～0.54 MPa。主廠房上下游吊車梁附近以及尾調室上下游邊墻下部與尾水洞相交的部位存在輕微的應力集中現象。

圖7 14號機斷面主廠房邊墻部位M3019

監測位移與計算相對位移對比成果

4.2 洞周塑性區

以左岸為例，開挖完成后，塑性區主要集中在三大洞室的上下游邊墻，其頂拱塑性區分布范圍、深度均不大。其中，主廠房上游邊墻最大塑性區在12.0 m以內；主變室上游邊墻塑性區最大深度為8.0 m，下游塑性區分布較為平均，約5.0 m。尾調室上游最大深度達11.3 m，下游塑性區分布比較均勻，平均深度約9.0 m，見圖8?？傮w上，尾調室洞周破壞范圍較其它洞室大，但破壞深度均分布在錨桿錨索控制范圍內，洞室的整體穩定性可控[4～6]。

圖8 開挖完成后關鍵斷面洞周圍巖塑性區分布情況

4.3 支護結構受力

開挖完成后，洞室頂拱的錨桿應力量值總體不大，預應力錨桿應力大致分布在144.9～299.6 MPa范圍內，普通砂漿錨桿應力大致分布在5.4～146.9 MPa范圍內。洞室開挖過程中，洞周錨桿錨索應力總體較小，增量偏小，說明在合理的開挖和支護條件下，洞室圍巖穩定性良好，應力擾動較小。錨桿拉應力基本在180 MPa以內，預應力錨桿Ф32(T=120 kN)應力大致在170～235 MPa；錨索應力大致在1 036.1～1 246.7 MPa，見圖9。由錨桿錨索應力發展變化規律來看，洞室群圍巖穩定整體良好，錨固支護運行較好，錨桿應力均在其限度內，錨桿錨索支護在洞室群的圍巖穩定方面發揮了較大作用，隨著運行時間越長其作用越明顯。

圖9 開挖完成后關鍵斷面洞周錨桿錨索應力(單位：MPa)

4.4 各階段分析成果對比

通過對比可研與技施階段成果，開挖完成后，洞周圍巖應力、位移、塑性區深度、錨桿應力等計算成果基本吻合，說明支護參數基本合理，洞室圍巖整體穩定性較好。反饋分析成果與可研階段成果對比見表2。

表2 反饋分析成果及可研階段預期成果對比

5 局部穩定問題

結合現場開挖揭示的地質情況、監測資料和反饋分析成果，洞室主要可能發生以下局部穩定問題：

(1)水平產狀層內、層間錯動帶對頂拱開挖成形的影響。若有不利結構面相互切割影響，需及時進行有針對性的加強支護，以保證頂拱承載圈的形成。

(2)結構面的不利組合對高邊墻的不利影響。尾調室邊墻高，圍巖穩定和變形問題突出，需有針對性地對關鍵塊體及時鎖定，防止產生連鎖效應，避免巖石破壞向深部發展。

(3)洞室交叉口部位支護設計應引起重點關注，做好施工工序安排，堅持“先洞后墻”的原則，在交叉洞室，容易出現環向劈裂、張開、掉塊、塌方等破壞，需及時進行鎖口及系統支護，同時也應事先做好雙向鎖口支護。

(4)重視巖隔墻、巖柱等部位的支護設計。溪洛渡地下廠房系統屬大跨度、高邊墻、復雜洞室群，巖柱較多，確保巖柱的穩定是地下廠房系統安全運行的關鍵。提出了以錨索支護為主，輔以錨桿，噴混凝土等聯合支護型式，以改善巖柱體的應力狀態，提高巖柱體的強度，維護圍巖的穩定。

(5)施工過程中針對監測異常點出現部位應及時做出分析與處理?；诘叵聫S房洞室群反饋分析成果，根據現場開挖揭示的地質情況和監測資料，對現場關注的局部變位或應力偏大的問題需及時給予復核和分析，并給出相應的評價和建議，以有利于對局部穩定問題的認識并做出相應的處理。

例如左岸主廠房7號機下游邊墻中部，監測成果顯示，該部位的多點位移計M4089截止2009年5月22日孔口處實測位移為40.43 mm，在2008年7月7日～2008年10月6日間孔口處位移由18.53 mm增至37.35 mm。變形曲線大致呈臺階狀，存在突變點，其與周圍巖體開挖爆破關系密切。

地質條件顯示，該監測點處于P2β6層中下部，斷面上部至398.0 m高程發育2條錯動帶Lc1和Lc2，產狀N30°E/SE∠20°，主錯帶厚度3～5 cm，充填石英綠簾石條帶和少量巖屑，無影響帶。下部至363m高程發育4條層內錯動帶Lc3～Lc6，產狀N30°E/SE∠10°～20°，主錯帶厚度1～3cm，帶內物質以角礫巖屑為主，局部充填綠簾石條帶，無影響帶。

聲波資料顯示，9～12 m深度段聲波平均值4 657.0 m/s，基本與Ⅲ1類圍巖開挖卸荷前一般聲波平均值(5 200 m/s)相近，而6～9 m、3～6 m、0～3 m各深度段平均值分別為3 768.0 m/s、3 268.0 m/s、2 744.5 m/s，與一般值相差較大，隨著深度增大，圍巖聲波值衰減幅度也相應減小，表示松弛卸荷是由外及內，淺表松弛較深部松弛大，符合一般規律。據此推理，圍巖松弛圈深度范圍確定為9 m。另外，反饋分析成果顯示該部位塑性區深度約為12.4 m。

處理措施：(廠橫) 0+195.1～(廠橫)0+217.5 m段，高程383.00～ 386.50 m范圍內，在已實施的系統錨桿之間內插增設預應力錨桿，參數為：PBФ32，L=12 m，P=120 kN。

加固效果：在系統支護和實施局部加強支護措施后，該處變位已逐漸趨于穩定，詳見圖10。從現場觀察未見沿錯動帶附近變形和噴混凝土裂縫現象，可以排除由于沿錯動帶出現大的塊體變形而引起的監測變形增長，可以判斷該處的局部穩定問題已不突出。

圖10 左岸主廠房多點位移計M4089-CL位移成果曲線

6 結 論

溪洛渡三大洞室開挖完成后，主廠房和主變室圍巖位移、應力、塑性區和錨桿錨索應力沒有發生很大的變化，保持在比較穩定的狀態，尾調室的圍巖位移、塑性區和錨桿錨索應力變化比較大，但是基本在可控制范圍內，洞周圍巖的整體穩定性是有保證的。通過分析，可以得到以下幾點認識：

(1)采用合理施工程序和開挖方法，嚴格控制開挖過程，是保證洞室整體穩定性的提前。

(2)大型洞室處于復雜的地質環境中，影響圍巖穩定性的因素錯綜復雜。在施工過程中，及時開展施工期快速監測反饋分析與評價，對圍巖穩定進行評價和預測，及時調整支護參數，維持洞室整體穩定。因此，施工期監測反饋分析已成了保證大型地下洞室工程安全和經濟合理的重要手段。

(3)位移監測值和反演計算值均表明，在三大洞室主體工程全部開挖完成后，各洞室斷面頂拱位移變化不大，基本趨于穩定；高邊墻位移增加明顯，各斷面上下游側墻位移明顯超過拱頂位移。尾調室上下游邊墻位移增加較快，但其絕對位移值基本未超過40 mm，滿足洞室位移的穩定要求。

(4)洞周圍巖塑性區總體不大，在開挖邊墻中部、層內層間錯動帶及應力集中區的塑性區深度相對較大，但基本都在錨桿錨索加固控制范圍內。

(5)錨桿應力監測和計算結果表明，大部分錨桿應力計所得結果量值不大，應力增量也不大，這說明了在當前施工條件下，錨桿總體應力不大，圍巖穩定狀況良好。

(6)對地質缺陷、監測異常點等部位，根據現場開挖揭示的地質情況和監測資料等綜合分析，采取有針對性地加強支護措施，確保了施工全過程圍巖穩定受控，局部穩定問題已不突出。

[1] 金沙江溪洛渡水電站地下廠房洞室圍巖穩定與支護設計專題報告[R].成都：中國水電顧問集團成都勘測設計研究院， 2004.

[2] 李友華，黃應軍，李景元. 溪洛渡水電站左岸地下廠房大跨度高邊墻開挖施工技術[J].水力發電，2008，34(9)：9-11.

[3] 李金河，伍文鋒，李建川.溪洛渡水電站超大型地下廠房洞室群巖體工程控制與監測[J].巖石力學與工程學報，2013，32(1)：8-14.

[4] 樊啟祥，王義鋒.溪洛渡水電站地下廠房巖體工程實踐[J].巖石力學與工程學報，2011，30(增1)：2986-2993.

[5] 董志宏,丁秀麗,盧波,等.大型地下洞室考慮外挖卸荷效應的位移反分析[J].巖土力學,2008,29(6):1562-1568.

[6] 方 丹，陳建林，張 帥.楊房溝水電站地下廠房圍巖穩定分析[J].巖石力學與工程學報，2013，32(10)：2094-2099.

2015-10-02

張恩寶(1979-)，男，河南靈寶人，碩士研究生，高級工程師，從事水工結構設計工作。

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1003-9805(2016)04-0001-07