烏東德水電站圍巖溶蝕裂隙破壞分析與加固效果評價

(1.中國長江三峽集團有限公司，北京 100038；2.三峽大學土木水電學院，湖北 宜昌 443000)

1 引 言

烏東德水電站位于金沙江下游河段，總裝機容量為10200MW，以發電為主，兼顧防洪，其左右岸各布置6臺機組。擬定左岸地下3大洞室(主廠房、主變洞和尾水調壓室)并列平行布置。其中，主廠房頂拱跨度為31.8m，巖錨梁以下開挖跨度為30.0m，主廠房最大開挖尺寸為3330m×32.5m×899m(長×寬×高)；主變洞最大開挖尺寸為2556m×18.5m×34.2m；調壓室采用下部獨立、上部連通的長廊型布置方式，頂拱跨度為320m，最大開挖高度為110.0m(見圖1)。

圖1 烏東德水電站右岸地下電站洞室群三維布置

烏東德水電站右岸地下電站主廠房9號機頂層擴挖后于下游邊墻及拱座(樁號YC=1+202～1+217)揭露一條較大溶蝕裂隙YKT1。該溶蝕裂隙為順層發育，產狀180°∠68°，走向與主廠房下游邊墻夾角約25°[見圖2(a)]，寬5～30cm，充填泥夾碎屑或碎屑夾泥[見圖2(b)]。鉆孔彩電物探結果顯示，該裂隙水平方向延伸長約90m、垂直向延伸長約54m。考慮到該溶蝕裂隙規模較大且性質較差，可能在后續施工擾動下產生傾倒變形破壞，參建各方經商討后提出對當前開挖層裂隙實施局部回填置換及加強支護的處理方案(對YKT1裂隙影響區域內填充物掏挖、沖洗清理干凈后進行灌注水泥或水泥漿填縫，對區域加強支護：增加3排T=1500kN@3m×3m、L=25m的預應力錨索共計21束，拱座以上溶蝕裂隙影響區域局部增加16根T=50kN、HRB40032、L=9m張拉錨桿)。本文從數值模擬的角度，以右岸地下電站模型為基礎，分析YKT1溶蝕裂隙在后續開挖過程中的變形破壞趨勢及可能破壞的范圍，并對加固方案效果進行評價，同時得出進一步的結論和建議。

圖2 右岸地下電站主廠房下游側YKT1溶蝕裂隙

2 計算分析方案

計算方案采用包含整個右岸地下廠房的山體網格模型，初始地應力場根據非線性反演獲得，Ⅱ1和Ⅲ1圍巖力學模型采用反映層狀巖體層理和基質力學特性的層狀巖體應變硬化/軟化模型，其變形參數選用《金沙江烏東德水電站可行性研究報告》工程地質部分推薦范圍的平均值，其他參數則為經驗值。溶蝕裂隙YKT1及其置換體和A類角礫巖采用理想彈塑性模型。YKT1及其置換體力學參數取經驗值，A類角礫巖力學參數取《烏東德地下電站工程地質匯報》推薦的B類角礫巖力學參數。各類圍巖力學參數具體取值見表1～表5。

表1 Ⅱ1圍巖力學參數

表2 Ⅲ1圍巖力學參數

表3 溶蝕裂隙YKT1力學參數

表4 A類角礫巖力學參數

表5 溶蝕裂隙YKT1置換體力學參數

主廠房圍巖狀態評價指標采用破壞接近度，該指標可以反映層狀巖體基質和層理面在開挖擾動下的破壞程度。當其值小于1.0時認為圍巖相對穩定；當其值大于1時，認為圍巖發生屈服；當其值超過一定設定的大于1.0的某一臨界值時(如1.2)可以認定圍巖可能產生了松動；當其值超過設定的大于1.0的某一臨界值時(如1.5)，可以認定圍巖可能產生了破壞。角礫巖及溶蝕裂隙加固措施的模擬依據《右岸地下電站主廠房YKT1溶蝕裂隙加固處理及有關要求》。溶蝕裂隙YKT1和A類角礫巖與右岸地下洞室群開挖體的空間位置關系見圖3。

圖3 溶蝕裂隙YKT1及A類角礫巖與洞室群開挖體的空間位置示意

3 圍巖加固效果評價

圖4和圖5為廠房Ⅱ層開挖后溶蝕裂隙YKT1置換前后及A類角礫巖加固前后的破壞接近度分布。從圖4可以看出，廠房Ⅱ層開挖后溶蝕裂隙YKT1不經處理，破壞接近度大于1.0的區域大部分集中在1.5～3.0，最大值超過3.2，表明其不經處理，很容易產生破壞。與之相對，采用回填置換處理后，溶蝕裂隙YKT1置換體的破壞接近度大于1的區域均集中在開挖臨空面附近，深度明顯較小；僅在起拱線附近有少量區域大于1.3(該處置換體可能會產生少量剝落)，其他區域的破壞接近度相對較小，表明回填置換有效提高了溶蝕裂隙YKT1及其影響范圍內的巖體強度。

圖4 Ⅱ層開挖后YKT1及置換體的破壞接近度

從圖5可以看出，廠房Ⅱ層開挖后A類角礫巖區域不經加固處理，破壞接近度大于1.0的區域大部分集中在1.5～3.0，最大值達3.225，表明其不經處理，很容易產生破壞。相反，對A類角礫巖區域進行加固處理后，其破壞接近度大于1的區域減小較為明顯，均集中在開挖臨空面附近；僅在起拱線附近有少量區域大于1.3，說明加固處理過后角礫巖區強度有了較大程度的提高。

圖5 Ⅱ層開挖后A類角礫巖的破壞接近度

圖6為溶蝕裂隙YKT1和A類角礫巖分布范圍內典型機組剖面(7號、8號及9號機組)的圍巖破壞接近度分布圖。從圖6中可以看出，廠房Ⅱ層開挖后，各典型機組剖面處圍巖在加固后的破壞接近度大于1.0的區域很少，并且最大破壞接近度值也只略大于1。這一方面反映出該洞段圍巖除YKT1和A類角礫巖外，其他巖體質量相對較好，另一方面反映出溶蝕裂隙YKT1和A類角礫巖區域經加固處理后有效加強了該洞段圍巖的整體性，提高了圍巖強度。

圖6 Ⅱ層開挖后A類角礫巖及YKT1溶蝕裂隙影響區域典型機組剖面的圍巖破壞接近度

4 監測數據分析

4.1 監測儀器設置和數據成果

根據主廠房開挖所揭露的地質情況，在9號機相應部位施工過程中布置了一定數量的多點位移計、錨桿應力計、錨索測力計(見表6～表8)。9號機最早安裝埋設的儀器是頂拱的多點位移計，2013年4月14日取得初始值，典型監測儀器過程線見圖7～圖11。

表6 右岸主廠房9號機多點位移計測值變化情況統計表

表7 右岸主廠房9號機錨桿應力計測值統計表

表8 右岸主廠房9號機錨索測力計測值統計表

圖7 Yc=1+209.50 高程846.66處圍巖典型監測儀器過程線

4.2 監測數據分析

右岸主廠房9號機拱頂多點位移計孔口圍巖累積變形0.92mm；拱座多點位移計孔口位移累積變形在4.05～43.24mm；上下游邊墻多點位移計孔口圍巖累積變形在0.45～19.42mm；9號機圍巖最大變形位于9號機下游拱座高程846.66m處；其中累積變形大于20mm的1支，位于9號機下游拱座處。錨桿應力計當前應力值為-0.71～143.81MPa(R03YC09，9號機下游邊墻)。錨索測力計當前錨固力為1907.2～3487.6kN(MS03YC09，9號機下游邊墻，超量程)。

圖8 Yc=1+209.50 高程812.35m處圍巖典型監測儀器過程線

圖9 Yc=1+209.5 高程835.05m處圍巖典型監測儀器過程線

圖10 Yc=1+209.5 高程838.34m處圍巖典型監測儀器過程線

圖11 Yc=1+209.5 高程835.05m處圍巖典型監測儀器過程線

9號機頂拱累積變形0.92mm，變形量小，無明顯變化。

9號機上游拱座變形較小，無明顯變化。9號機下游拱座當前累積變形43.24mm，變形主要發生在Ⅵ層和Ⅹ層開挖期間，期間變形增量分別為18.01mm和8.00mm。

9號機上游邊墻累積最大變形19.42mm，位于高程812.35m處。變形主要發生在Ⅵ層、Ⅹ層開挖期間，期間變形增量分別為6.62mm、4.29mm，其上方錨索測力計MS01YC09在Ⅵ層開挖期間錨固力增大163.5kN。目前該部位圍巖變形趨于穩定。

9號機下游邊墻累計最大變形13.87mm，位于高程838.34m處，變形主要發生在Ⅳ層、Ⅵ層開挖期間，變形量分別為8.11mm、3.44mm；此外，Ⅹ層開挖期間，下游邊墻高程808.05m處多點位移計M17Y09位移增量5.11mm，附近錨桿應力計R03YC09應力增加110.30MPa，下游邊墻錨桿應力計R02YC09應力增加49.15MPa，下游邊墻錨索測力計MS03C09錨固力在Ⅹ層開挖期間增加452.5kN，錨桿應力、錨索錨固力增加與圍巖變形增加基本同步。

從整體來看，9號機圍巖變形主要發生在下游拱座部位。變形主要是開挖引起的突變及突變后的持續蠕變，開挖完成后圍巖變形趨于穩定。目前9號機圍巖變形平穩。

5 結論與建議

a.根據前述數值分析結果，溶蝕裂隙YKT1及A類角礫巖經加固處理后在廠房Ⅱ層開挖擾動下的破壞區域基本集中在開挖臨空面附近，向巖體深部延伸的范圍很小，這表明加固措施對控制溶蝕裂隙YKT1及A類角礫巖的破壞效果明顯。

b.在廠房Ⅱ層開挖擾動下，溶蝕裂隙YKT1和A類角礫巖分布范圍內典型機組剖面上的破壞接近度大于1.0的區域很少，并且最大破壞接近度值也只略大于1。這表明加固措施對控制角礫巖區洞段圍巖整體穩定性同樣效果明顯。

c.后續開挖期間的監測結果表明，結合復核數據并動態調整相應的工程措施可有效限制圍巖過量變形以及開裂破壞，印證了這些措施的合理性及可靠性，可為類似地下洞室工程的開挖支護提供參考。