蟠龍抽水蓄能電站地下廠房頂拱軟巖分布與支護影響分析

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.河海大學水利水電學院，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力平衡狀態，導致圍巖應力重分布，隨著地下廠房不斷開挖，應力重分布區域逐漸增大，最終使得圍巖承受的荷載過大而失穩破壞。為了防止洞室失穩，要對洞室進行支護，以提高圍巖的整體性，限制圍巖的變形。國內外學者做了大量研究工作來優化支護設計[1]，楊映等[2]結合思林水電站地下廠房支護施工實際，對地下工程常用的幾種支護形式如噴混凝土、鋼筋網、錨桿、錨索等進行了分析討論；謝思思等[3]針對漫灣水電站二期工程地下廠房圍巖穩定性總體較差的情況，設計聯合支護方案，并確定基本支護參數，進行了大量的設計優化調整工作；胡林江[4]針對溧陽抽水蓄能電站地下廠房的工程地質條件，對地下廠房設計支護參數進行分析，采用聯合支護形式，對F54斷層和開挖過程中情況異常部位采取了有針對性的加固措施；彭薇薇等[5]針對大發水電站在頂拱開挖后揭示出f1斷層及其他四組裂隙，地質條件較可研階段發生了較大變化的情況，對支護方案進行了重新研究，確定采用全斷面鋼筋混凝土襯砌的支護形式；胡正凱等[6]針對句容抽水蓄能電站地下廠房洞室群復雜的工程地質條件擬定3種不同的支護方案，運用3DEC建立數值分析模型，對不同支護方案進行圍巖穩定分析，最終確定適合該地下廠房洞室群的合理支護措施。本文針對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，針對若實際地質情況與勘測情況不符時，即軟巖厚度增加或可能出現的硬巖貫穿裂隙情況進行研究，分析有支護條件下的頂拱圍巖穩定性和支護作用效果。

1 工程地質條件

重慶蟠龍抽水蓄能電站位于重慶市綦江區中峰鎮境內，電站裝機容量 1 200 MW(4× 300 MW)，屬一等大(1)型工程，主要永久性建筑物按1 級建筑物設計。地下洞室區穿越夾關組(K2j)和蓬萊鎮組(J3p)兩組地層，夾關組(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、泥質粉砂巖占14.7%，泥巖、粉砂質泥巖占8.9%；蓬萊鎮組(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、泥質粉砂巖占25.9%，泥巖、粉砂質泥巖占41.6%；由巖性組合情況可知，輸水系統洞室以砂巖為主，約占75%。

2 計算模型及參數

2.1 計算模型

模擬蟠龍抽水蓄能電站地下洞室群實際洞體結構(全部機組段)和廠區實際地形及地質條件(包括各類結構面等)，建立如圖1所示的三維有限元計算模型。模型原點取在1號機組中心，原點高程為451.9 m。主廠房軸線方向為X軸，指向副廠房方向為正，垂直于主廠房軸線方向為Y軸，指向主變室方向為正，豎直方向為Z軸，向上為正。模型計算范圍：廠房軸線方向取669 m，左側離主廠房左側墻體250 m，右側離主廠房右側墻體250 m，其中機組段共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。計算網格節點數為102 542，單元數為594 312。計算采用Mohr-coulomb屈服準則。數值計算中所選用的各類巖體的材料參數如表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 關鍵點選取

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鍵點，關鍵點的位置見圖2。

圖2 洞周關鍵點示意(單位：m)

2.3 支護參數

設計支護參數：襯砌，噴鋼纖維混凝土厚0.2 m；錨桿為預應力錨桿Φ32/28 mm@1.125 m×1.5 m，L=9 m/6 m菱形布置，T=100 kN；錨索數據為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 計算工況

選取3種不同的地質條件，分別分析其穩定性以及支護效果。

(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，貫穿整個模型。

(2)工況2在工況1基礎上增加軟巖厚度，軟巖下部水平、距拱頂1.0 m。

(3)工況3在工況1基礎上假設有1條1 m厚的軟巖與廠房頂拱聯通，軟巖傾角為60°。

圖4 無支護和設計支護情況下3號機組各工況斷面洞周圍巖塑性區分布

3 計算結果

表3為主廠房頂拱開挖結束后，無支護和設計支護下3號機組各工況斷面洞周圍巖關鍵點位移值，圖4給出了各工況塑性區分布示意。從中可以看出：設計工況(工況1)下，無支護時拱頂向下收縮，拱座向外擴張；軟巖、拱座和右側拱肩均有塑性區發育。在支護作用下拱頂鉛直向位移收縮值減小了7.13%，拱座水平位移擴張值增大；軟巖和拱肩的塑性區發育程度降低。軟巖加厚工況(工況2)下，頂拱以上軟巖范圍增大，軟巖底部與拱頂的距離減小，因而塑性區范圍顯著變大，拱頂位移也大幅增加。在支護作用下，塑性區發育程度明顯降低，拱頂位移值減小了21.22%。與工況1相比，支護效果顯著增加，支護利用率大大提高。頂拱硬巖裂隙有聯通工況(工況3)下，軟巖下游部分和聯通區域軟巖均進入塑性狀態，位移較工況1也有所增大。在支護作用下，軟巖塑性區發育程度降低，并且兩軟巖的塑性區斷開，拱頂位移值減小了10.63%。該地質條件下圍巖穩定性弱于工況1，但遠比工況2好，而支護利用率遠低于工況2。支護能提高圍巖的整體性，控制圍巖變形，并能減小塑性區范圍，降低塑性區的發育程度。圍巖穩定性越差時，支護的利用率就越高，越能充分發揮其作用。

表3 各工況下3號機組斷面洞周關鍵點位移值 mm

4 結 論

本文建立了蟠龍抽水蓄能電站地下廠房區域的三維有限元模型，分析了不同地質條件下主廠房頂拱的圍巖穩定性和支護效果。結果表明：頂拱區域地質條件越差時，拱頂位移越大，塑性區發育程度也越大；在支護作用下，位移減小，塑性區發育程度降低，且能使一些危險的構造如塊體等變得相對安全；圍巖穩定性越差時，支護所能發揮的作用也越大。分析成果可為頂拱的支護設計提供參考依據。