蟠龍抽水蓄能電站軟硬間層地質條件下洞室群開挖對軟巖的影響研究

鄭德湘，蘇 超，邱樹先，汪 健，李智機，張 恒

(1.重慶蟠龍抽水蓄能有限公司，重慶401452；2.河海大學水利水電學院，江蘇南京210098；3.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

0 引 言

抽水蓄能電站具有調峰填谷、調頻調相、緊急事故備用、黑啟動及可提供系統備用容量的儲能特點，是我國水電站的主要選擇形式[1]。抽水蓄能電站的廠房多深埋地下，跨越軟硬間層的地質區，開挖過程中軟巖地質區洞周圍巖穩定問題突出[2]。針對這一問題，學者們陸續展開研究。在軟巖區洞室圍巖穩定分析方法方面，劉營超等[3]利用數值模擬研究了埋深與側壓力系數對軟巖隧道變形的影響；王志偉等[4]提出了利用離散元分析上軟下硬地層淺埋隧道的圍巖松動破壞機制的數值模擬方法；吳迪等[5]、丁浩等[6]提出了基于軟巖流變特性的洞室圍巖流變分析模型；汪成兵等[7]在室內模擬試驗基礎上提出了拱形塌方和塌穿型塌方兩種圍巖破壞模式。在軟巖區洞室圍巖穩定評價和破壞區確定方面，邵國建等[8]提出洞室周圍單元的干擾能量值及等值線分布情況定出滑面，以安全系數量化評判巖體穩定性的評判方法；楊強等[9]提出了基于能量判據的考慮油氣儲庫群分布的洞室群整體穩定性分析方法；張傳慶等[10]提出了以屈服接近度描述洞室圍巖擾動區危險程度的判別方法。

這些學者的研究對于明確軟巖洞室變形、破壞機理有重要意義，但分析較少考慮開挖過程對軟巖變形的影響，因此也缺乏對洞室施工期軟巖變形特征與機理的討論。本文以蟠龍抽水蓄能電站地下洞室群為研究對象，重點研究開挖過程對軟巖變形的影響，揭示開挖過程軟巖層變形機理。

1 工程概況

蟠龍抽水蓄能電站位于重慶市綦江區中峰鎮境內，電站由上水庫、輸水系統、地下廠房系統、下水庫及地面開關站等建筑物組成。上水庫位于綦江一級支流清溪河右岸支流蟠龍溝上游，下水庫位于清溪河右岸支流石家溝上。輸水系統自上水庫進/出水口段山頂高程1 012.00 m至下水庫溪溝溝底高程488.00 m，地形相對高差達524 m。輸水發電系統總體呈NW向布置，采用一洞兩機布置方式，共設置2條輸水主洞、4條輸水支洞和4條尾水隧洞。發電系統布置于下水庫兩河口壩線右壩頭上游約280 m處的山體內，地下廠房洞室群主要由主廠房、主變洞、母線洞、高壓電纜洞、進廠交通洞等組成。主廠房開挖尺寸為169.00 m×24.00 m×54.425 m(長×寬×高)，主變洞開挖尺寸為139.40 m×20.30 m×21.20 m(長×寬×高)。

廠房區跨越軟硬相間巖層，軟巖層為6層泥巖或粉砂質泥巖與泥質粉砂巖，其中軟巖3、5、6貫穿主廠房，軟巖2、6的相對位置如圖1所示。

圖1 軟巖層與廠房的相對位置

2 有限元模型

根據施工組織設計的開挖次序，采用模擬所有洞室開挖過程的三維有限元計算模型，對地下廠房洞室群施工過程進行仿真分析，分析開挖過程中軟巖層的變形、應力及塑性區分別特點等，研究開挖對軟巖圍巖穩定的影響。

根據主廠房位置及洞室布置形式、斷面尺寸，模擬地下廠房洞室群實際洞體結構，包括主廠房、主變室、母線洞、主變運輸洞、聯系廊道、送風機房、排風機房、進廠交通洞、主廠房送(排)風洞、主變室送(排)風洞、通風兼安全洞、引水隧洞、尾水隧洞、高壓電纜平洞、高壓電纜豎井、檢修排水廊道、排風豎井、3號～6號施工支洞、廠頂錨固洞以及環繞主廠房和主變室外圍三層排水兼錨固洞，以及對廠房區圍巖穩定影響較大的6層軟巖。

坐標系采用主廠房軸線方向為X軸，指向副廠房方位為正；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。原點取在1號機組中心，原點高程為451.9 m。計算范圍是廠房軸線方向取1 320 m，左側距主廠房左側墻體800 m，右側距離主廠房右側墻體350 m，其中機組段共169 m；上游距主廠房上游墻425 m，下游距主變室下游墻250 m；垂直方向向下為主廠房底板以下250 m，向上為主廠房頂拱至地表面。計算模型網格節點數為649 612，單元數為3 802 630。廠房區有限元網格模型與三維整體有限元網格模型見圖2。地下廠房洞室群共分17個開挖步。計算采用Mohr-coulomb屈服準則。

圖2 蟠龍抽水蓄能電站地下廠房與三維整體有限元網格示意

表1 洞室圍巖物理力學參數

3 軟巖層變形特征

圖3為廠區軟巖2在第17級開挖下的位移俯視云圖(U1、U2、U3分別為沿廠房軸線、垂直、鉛直方向的位移)。軟巖2位于主廠房頂拱之上，第1～7級開挖過程中，軟巖2變形較小，鉛直方向的變形主要是通風兼安全洞，主變排風洞以及進廠交通洞開挖后，軟巖沿鉛直方向朝向洞室內部變形，鉛直方向最大位移為3.13 mm。水平方向主要是主廠房排煙豎井和主變室排風豎井開挖過后，軟巖沿洞室徑向朝向洞室內部變形，最大水平位移在1.63 mm以內。在隨后的開挖過程中，軟巖2主要是受主廠房和主變室開挖的影響，主廠房和主變室頂部的軟巖2沿鉛直向下變形，并隨著洞室開挖的進行位移逐漸增大，洞室群開挖完畢之后，鉛直向最大位移為26.80 mm。主廠房頂部的軟巖3受主廠房開挖的影響有鉛直向下的變形，受此影響，軟巖2上游側沿垂直廠房軸線方向的水平位移也相對較大，最大水平位移為10.98 mm。

圖3 廠區軟巖2第17級開挖的位移俯視云圖(單位：m)

圖4為廠區軟巖6在第17級開挖下的位移俯視云圖。圖5為軟巖2、6在各級開挖過程中U1、U2、U3方向的最大位移值。對于軟巖6，第1～9級的開挖過程中，各方向的位移變化較小，第9級開挖結束后，鉛直向的位移達14.46 mm，最大水平位移為3.75 mm。在第10～15級的開挖過程中，隨著主廠房、主變室、母線洞、主變運輸洞的開挖，其底部的軟巖6鉛直向上回彈變形逐漸增大，第15級開挖結束后，主廠房底部的軟巖6鉛直向上的位移達30.70 mm。軟巖6水平向的變形主要是朝著各開挖洞室的收縮變形，滲漏集水井和尾水洞周圍的軟巖6主要以沿廠房軸線方向的位移為主，洞室群開挖結束后，最大水平位移達19.25 mm。尾水洞與4號施工交洞口以及4號施工支洞的側墻主要以垂直廠房軸線方向的位移為主，洞室群開挖完畢之后最大水平位移為18.86 mm。第16～17級開挖過程中，貫穿主廠房內的軟巖6全部開挖，主廠房上下游側墻部位的軟巖6以垂直廠房軸線水平方向的位移為主，開挖結束之后，水平向最大位移為50.18 mm。位于主變室，母線洞、安裝間、進廠交通洞底部的軟巖隨著開挖的進行主要是沿鉛直向朝向所開挖洞室的收縮變形，開挖結束之后鉛直向最大位移為35.49 mm。主廠房端墻、安裝間底板部位的軟巖6主要是沿著廠房軸線方向的水平位移為主，開挖結束后，最大水平位移為24.23 mm。

圖4 廠區軟巖6在17級開挖的位移俯視云圖(單位：m)

圖5 軟巖層最大位移值與開挖級數關系

4 軟巖層應力特征

圖6為廠區軟巖2在開挖結束后鉛直向應力、主拉應力、主壓應力云圖。對于軟巖2，在整個開挖的過程中，軟巖2內沒有出現拉應力，全部處于受壓狀態，在主廠房和主變室開挖過后，頂拱上部的軟巖2內應力水平顯著降低，在主廠房排煙豎井以及高壓電纜豎井洞周的軟巖2處主壓應力較大，開挖結束后最大主壓應力為-9.23 MPa。

圖6 第17級開挖下軟巖2鉛直向應力、主拉應力、主壓應力云圖(單位：Pa)

圖7為廠區軟巖6在開挖結束后鉛直向應力、主拉應力、主壓應力云圖。圖8為軟巖2、6在各級開挖過程中各向最大應力值。對于軟巖6，軟巖6在第1～10級的開挖過程中全部處于受壓狀態，而且在開挖的過程中，應力水平變化不大，最大主壓應力在-12.27 MPa內。在第11～15級開挖的過程中，在尾水下平洞與4號施工支洞的交叉洞口處有小范圍的拉應力存在，最大主拉應力為0.55 MPa。第16～17級開挖過程中，貫穿主廠房內的軟巖6被挖掉，主廠房上下游側墻以及端墻部位的軟巖6中有拉應力存在，最大主拉應力在0.59 MPa以內。副廠房底板中部有拉應力區分布，該拉應力區在鉛直向下延伸深度為5 m，最大主拉應力為0.39 MPa，鉛直向最大應力為0.05 MPa。在開挖的過程中，引水下平洞洞周，下層排水錨固廊道洞周，尾水下平洞洞周壓應力較大，而且在引水下平洞“Y”形岔管處有壓應力集中現象，最大主壓應力為-23.84 MPa，出現在第16級開挖結束時。

圖7 第17級開挖下軟巖6鉛直向應力、主拉應力、主壓應力云圖(單位：Pa)

圖8 軟巖層最大應力值與開挖級數關系

5 軟巖層塑性區分布特征

圖9給出了第17級開挖結束后軟巖2、6的塑性區分布云圖。

圖9 第17級開挖結束后軟巖2、6塑性區分布云圖

對于軟巖2，在第1～4級開挖過程中沒有出現塑性區。主廠房排煙豎井，主變室排風豎井以及高壓電纜豎井開挖后，洞周有塑性區產生，塑性區延伸深度在3 m以內。主廠房開挖過后，其頂拱上部有向下的變形，在變形部位隨著開挖的進行逐漸出現塑性區，而且塑性區隨著開挖的進行不斷擴大，開挖結束后，軟巖2沿廠房軸線方向有長度為150 m，沿垂直廠房軸線方向有寬度為18.5 m的塑性區。

對于軟巖6，在第1～9級開挖過程中，塑性區分布較小，在隨后的主廠房開挖過程中，軟巖6內逐漸出現塑性區，塑性區主要以開挖臨空面為中心向軟巖內部延伸，并隨著開挖的進行塑性區不斷擴大。主廠房上游側軟巖6內的塑性區相對較大，在垂直廠房軸線方向最大延伸深度達12 m，主廠房下游側軟巖6內的塑性區在垂直廠房軸線方向最大延伸深度達6.5 m。4號施工支洞洞周軟巖6內的塑性區延伸深度在3.2 m以內。下層排水錨固廊道的塑性區延伸深度在2.4 m以內。

6 結 論

以重慶蟠龍抽水蓄能電站地下洞室群為依托，采用考慮所有洞室開挖過程三維有限元計算模型，對軟巖區的地下廠房洞室群施工過程進行仿真分析，分析開挖過程中軟巖層的變形、應力、塑性分布特點，研究軟巖區對開挖過程的響應。計算結果表明：軟硬間層分布的地質條件下軟巖層變形對洞室群開挖過程的響應顯著，開挖過程將導致軟巖層最大變形值、最大應力值及塑性區深度增加。在開挖過程中，隨著開挖級數增加，穿越主廠房、主變室區的軟巖層在臨近廠房位置均產生明顯塑性區，深層軟巖較淺層軟巖有明顯滯后。建議在地下廠房開挖前進行軟巖層對開挖過程的響應分析，完善開挖過程的危險作業段預警工作。