葉巴灘水電站廠房頂拱圍巖穩定分析及開挖支護設計研究

鄭詠琎，何建華

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

葉巴灘水電站位于四川白玉縣與西藏貢覺縣交界的金沙江干流降曲河口以下約350 m河段上，是金沙江上游規劃13級開發方案中的第7級。其引水發電建筑物總體布置上采用“單機單管”供水，地下廠區主廠房、主變室、尾水調壓室三大洞室采用平行布置，1～4號大機組尾水系統“兩機一室一洞”，5～6號泄放生態流量機組尾水洞與導流洞結合布置。廠內安裝4臺單機容量為510 MW的水輪發電機組和2臺互為備用單機容量200 MW的生態流量泄放機組，總裝機2 240 MW。圖1為葉巴灘地下廠房洞室群平面布置。

圖1 葉巴灘地下廠房洞室群平面布置(單位：m)

廠房主機間、副廠房和安裝間按“一”字型布置，安裝間和副廠房分別布置在主機間的兩端，安裝間布置在主機間的右側，副廠房布置在主機間左側。廠房頂拱高程為2 729.0 m，主廠房長度為243 m，其中，主機間長度183.8 m，安裝間長度59.2 m，吊車梁以上開挖斷面跨度為28.5 m，吊車梁以下開挖斷面跨度為25.9 m；副廠房長度25 m，開挖斷面跨度25.9 m。

2 地質條件

2.1 斷層結構面

引水發電工程壓力管道、地下廠房三大洞室及尾水洞上半段巖性為石英閃長巖，尾水洞下半段及尾水出口巖性為花崗閃長巖，巖石堅硬。據地表調查及平洞揭示，引水發電工程范圍內斷層較發育，斷層破碎帶寬度大于1 m的Ⅱ級結構面主要有F2、F3、F4共3條，延伸長度大于1 000 m；斷層破碎帶寬度0.1～1 m的Ⅲ級結構面共揭示74條，延伸長度一般數百米；斷層破碎帶寬度小于0.1 m的Ⅳ級結構面揭示數百條，延伸長度一般數十米至百米。對廠房頂拱影響較大的Ⅱ級結構面有F2和F4，Ⅲ級結構面有f91、f90、f85等，斷層結構面及其性狀見表1和表2。廠房頂拱斷層發育情況及推測地質圍巖分類見圖2。由此可以看出，廠房頂拱斷層較發育，副廠房段斷層分布較多，需加強支護。

圖2 廠房頂拱斷層發育情況及地質圍巖分類(推測)

表1 廠房頂拱Ⅱ級結構面斷層統計

表2 廠房頂拱Ⅲ級結構面斷層統計

2.2 地應力

前期地下廠房的12組地應力測試成果顯示，地應力最大主應力37.57 MPa(見圖3)。地應力分布特征如下：

圖3 主應力-水平埋深關系(注：統計時剔除了異常數據)

①地應力測試表明，σ1量值為16.51～37.57 MPa，平均值約24.31 MPa，地下廠房區域內水平埋深200 m以內，介于22.34～37.57 MPa。σ1方位為N82°E～N54°W，σ1方位平均為N80.4°W，總體傾向河谷，與區域構造主壓應力方向較為接近。

②根據孔徑變形法平面應力分解成果，σH優勢方向為N75°W～EW，與河流近垂直，也與區域構造應力方向大體一致，σv優勢方向為近SN～N15°E(W)，近平行河流方向。水平埋深200 m以內σH>σv，巖體應力以水平向擠壓為主，且σv遠大于自重應力，表明巖體應力場以區域構造應力為主。水平埋深200 m以外，σH與σv相差不大，σv大于自重應力，巖體應力場由區域構造應力和自重應力疊加形成，并且明顯受到了河谷岸坡地形的影響。總體來看，地下廠房區域屬于高偏極高地應力區。

③結合地下廠區巖石強度分析，廠房、主變室以及尾水調壓室圍巖強度應力比一般介于1.5～3之間。地下洞室圍巖強度參數建議值見表3。

表3 地下洞室圍巖強度參數建議值

2.3 地下水

廠址區除斷層帶具一定透水性外，裂隙一般透水性較弱，屬基巖裂隙水。由于河谷深切，岸坡陡峻，地表水入滲困難，補給水源有限，岸坡排泄條件良好，因此地下水位埋藏較深，總體上地下水補給河水。巖體中地下水一般在斷層破碎帶附近出露，以滲水～滴水為主，局部線狀流水。在斷層、裂隙密集帶附近時，巖體滲滴水現象普遍，局部線狀流水，地下水補給來源較深、補給量較小。

3 開挖支護設計

為了保證廠房頂拱圍巖穩定性，工程采取了加強初期支護強度的措施，即采用初噴鋼纖維CF30混凝土8 cm，復噴C25混凝土12 cm和掛網鋼筋A8@15 cm×15 cm，對適應高地應力地質條件有較好的效果[1]。頂拱采用預應力錨桿和帶墊板的砂漿錨桿相結合的方式，采用帶墊板的砂漿錨桿(C32，L=9 m)與預應力錨桿(C32，T=120 kN，L=9 m)間隔布置。在Ⅲ類圍巖中，間排距為1.2 m，在Ⅳ、Ⅴ類圍巖中，間排距為1.0 m[2]。確保錨桿與圍巖共同作用，形成整體受力，及時主動為圍巖提供支護抗力，提高軟弱結構面和塌滑面的抗剪強度[3]。帶墊板的錨桿可以增加巖面的受力面積，避免應力過大造成破壞。為了避免高地應力調整中未及時支護造成破壞現象，要求進行及時支護[4]。廠房頂拱錨桿布置如圖4所示。

圖4 廠房頂拱錨桿布置

主副廠房上層錨索采用“T=2 500 kN，L=30.0 m”和“T=2 000 kN，L=25.0 m”兩種規格，交錯布置，采用鋼錨墩[5]。將系統錨索布置于拱腳處，上下游各4排，間排距3～4 m。由于副廠房段地質條件較差，因此在副廠房段加密錨索布置，并針對斷層f85設置兩排斷層部位加強錨索。主副廠房頂拱系統錨索布置見圖5，斷層部位加強錨索布置見圖6。

圖5 廠房頂拱錨索布置

圖6 廠房頂拱斷層部位加強錨索布置

4 圍巖穩定計算分析

采用FLAC 3D軟件，對圍巖位移分布、高應力集中區分布和塑性區分布情況進行計算分析[6]。無系統支護和有系統支護條件下，這三種指標的分布規律類似。

圖7為上層開挖時洞室群位移分布特征。總體上，地下洞室群圍巖變形量級相對不大，但是受斷層f91、F4、f90、f9、f85、f89、f87、f88等部位影響的變形量級和范圍都顯著增大。系統支護條件下，洞室群圍巖變形量明顯較小，尤其是受f91、F4、f90、f9、f85、f89、f87、f88等部位影響，圍巖變形大于100 mm的范圍顯著降低，體現了系統支護對控制圍巖變形的作用。

圖8為4號機組剖面大主應力σ1的分布特征。由圖8可以看出，主廠房頂拱拱腳位置為應力集中分布區。廠房頂拱是圍巖應力集中大于40 MPa的主要分布區域，應力集中區分布與斷層有明顯的相關性。

圖9為4號機組剖面塑性區分布特征。無系統支護時，廠房頂拱塑性區深度一般為3～5 m，受斷層切割部位塑性區深度為6～9 m；廠房邊墻塑性區深度一般為10～15 m，受斷層切割部位塑性區深度一般為16～28 m，塑性區體積為132.1萬m3。有系統支護時，廠房頂拱塑性區深度一般為2～4 m，受斷層切割部位塑性區深度為5～8 m；廠房邊墻塑性區深度一般為7～12 m，受斷層切割部位塑性區深度一般為14～20 m，塑性區體積為106.64萬m3。由此可以看出，主廠房頂拱拱腳處塑性區較明顯，系統支護減小了圍巖塑性區深度。

(a)無系統支護時 (b)有系統支護時

(a)無系統支護時 (b)有系統支護時

(a)無系統支護時 (b)有系統支護時

5 結 語

本文以葉巴灘水電站工程為例，結合工程地質條件，闡述了廠房頂拱的開挖支護設計，對洞室圍巖穩定性進行了計算分析，并結合地質條件和計算結果，得出如下結論。

(1)對廠房頂拱影響較大的Ⅱ級結構面有F2和F4，Ⅲ級結構面有f91、f90、f85等。廠房頂拱斷層較發育，副廠房段斷層分布較多，廠區地應力較高，沿斷層等結構面地下水豐富。

(2)廠房頂拱采用噴混凝土、鋼筋掛網和“錨桿+錨索”的支護方式，并將系統支護和斷層部位加強支護相結合。在Ⅳ、Ⅴ類圍巖區域加密系統支護，在副廠房段加強系統支護，并針對斷層布置兩排加強錨索，從而確保圍巖穩定性。

(3)通過有限差分軟件計算得出，主廠房頂拱拱腳處應力較為集中且塑性區更明顯，因此，在此處加強支護的措施是合理的。系統支護減小了圍巖變形和塑性區深度，保證了圍巖穩定性。

(4)鑒于工程的復雜性，在施工過程中，頂拱支護設計應根據開挖揭示的地質情況及監測檢測成果，進一步進行優化調整。