楊房溝水電站蝕變帶區域巖錨梁設計與加強效果分析

韓曉卉，蔡波

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州，311122)

1 楊房溝水電站概況

1.1 工程簡況

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內的雅礱江中游河段上，是規劃中該河段的第六級水電站，其上游連接孟底溝水電站，下游連接卡拉水電站，工程的開發任務為發電。楊房溝水電站樞紐由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和地下引水發電系統等主要建筑物組成，地下廠房布置在左岸山體內，廠房縱軸線方位N5°E，內置4臺單機容量375MW的水輪發電機組，總裝機容量1500MW。主副廠房、主變室、尾水調壓室三大洞室平行布置，主副廠房尺寸為230m×30m×75.57m(長×寬×高)，主變室尺寸為156.0m×18.0m×22.3m(長×寬×高)，尾水調壓室采用阻抗長廊式，1#和2#調壓室尺寸分別為24m×69.5m×63.75m(寬×長×高)和24m×82m×63.75m(寬×長×高)。

1.2 基本地質條件

楊房溝地下廠房邊墻開挖揭露圍巖巖性為淺灰色花崗閃長巖，呈微風化～新鮮狀，巖質堅硬，巖體質量整體較好，一般以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，局部IV類。主要發育五組優勢節理：①順洞向陡傾角：N10°～30°E、NW∠60°～85°；②切洞向陡傾角：N65°～75°W、SW∠65°～70°；③切洞向中傾角：N85°E、NW∠40°～50°；④切洞向陡傾角：N80°W～N80°E、SW/NW∠80°～90°；⑤切洞向中傾角：N80°～90°E、SE∠40°～50°。

1.3 巖錨梁設計

楊房溝水電站主廠房選用兩臺700t/150t單小車橋機，橋機跨度27m，單臺橋機主梁每側輪子數量10個，兩臺橋機總額定起重量1400t，主梁的單個車輪最大輪壓為Pmax=850kN。

吊車梁布置在地下廠房機組段和安裝場洞段，單邊長度為210m。圖1為吊車巖錨梁體型結構布置，巖錨梁寬2.0m，高3.0m，壁坐角35°。吊車梁中上部設2排錨桿PSB830 φ40@70cm，長度L=11m，仰角分別為25°和20°，錨桿孔口2m區域涂抹瀝青；吊車梁下部設1排普通砂漿錨桿HRB400 φ32@70cm，長度L=9.0m。

圖1 巖錨梁體型結構布置

2 蝕變帶區域地質條件

在楊房溝水電站地下廠房“廠右0+5m～廠左0+35m”洞段下游邊墻開挖過程中，現場開挖揭露該洞段發育斷層f83及擠壓破碎帶J145、J164等，其中斷層f83兩側影響帶寬0.5m～3.4m，影響帶內斷層伴生節理發育，間距10cm～30cm，沿節理面有擠壓蝕變現象，影響帶巖體完整性差～較破碎，以Ⅲ2類圍巖為主，斷層帶內為IV類。

現場針對蝕變帶影響區域進行了聲波測試、鉆孔攝像以及巖樣抗壓強度試驗等補充物探。表1為蝕變帶影響區域巖樣抗壓強度試驗匯總表，圖2為根據現場實測情況推演獲得的蝕變帶圍巖開挖前后波速分布演化特征。

表1 蝕變帶影響區域巖樣抗壓強度試驗匯總

圖2 蝕變帶圍巖開挖前后波速分布演化特征

根據圖2所示：距下游邊墻約3m～4m巖體(包括斜巖臺及下部5m范圍內)屬于蝕變帶影響區域，巖體波速基本在3500m/s以下(花崗閃長巖新鮮完整巖塊的平均聲波速度在6250m/s)，該區域淺表層巖體波速基本均低于3000m/s；根據表1所示：蝕變帶影響區域巖體單軸飽和抗壓強度最小值為4.3MPa，最大值為76.8MPa，平均值為40.4MPa(花崗閃長巖新鮮完整巖塊的單軸飽和抗壓強度為80MPa)，小值平均值為23.5MPa。

經綜合分析判斷，邊墻蝕變影響區域圍巖完整性較差、承載能力偏低，對巖錨梁整體穩定不利。

3 蝕變帶巖錨梁結構設計思路和加強方案

金豐年等[1]認為巖錨梁主要有3種破壞形式：①受拉錨桿破壞(屈服或被拔出)；②下部交界斜面剪切破壞(抗滑穩定)；③下部交界斜面巖體被壓壞(基礎承載力不足)。

蝕變帶影響區域巖體完整性較差且深入圍巖達3m～4m、承載能力偏弱、混凝土/巖物理力學參數偏低，存在①、②和③類破壞的可能性，因此，有必要采取針對性加強措施。

經初步計算，在不采取任何加強支護措施的條件下，蝕變帶區域巖錨梁抗滑穩定系數不滿足規范要求，結合考慮巖錨梁的3種破壞形式，針對巖體蝕變帶區域的巖錨梁，設計采用增設扶壁墻方案進行加強處理，并利用預應力錨索將扶壁墻固定在邊墻上(具體方案見圖3)。扶壁墻+預應力錨索措施具有以下四個優勢：①增加蝕變帶區域圍巖圍壓，提高圍巖承載能力；②增加巖錨梁豎向剛度，減小斜巖臺法向壓力；③扶壁墻與巖錨梁融為一體，提高巖錨梁抗滑穩定安全性；④降低后續開挖引起的蝕變帶區域圍巖卸荷松弛影響。

圖3 巖錨梁加強方案結構示意

現場增設的扶壁墻采用50cm厚鋼筋混凝土結構，預應力錨索采用無粘結式，設計荷載采用2000kN，鎖定荷載采用1400kN。

4 巖錨梁抗滑穩定分析及扶壁墻高度選擇

4.1 增設扶壁的巖錨梁抗滑穩定計算方法

對于未增設扶壁墻的巖錨梁，規范已給出經典的單滑面抗剪斷強度公式，而增設扶壁墻的巖錨梁屬于雙滑面滑動模式，規范并未給出明確的計算方法。考慮到設計采用的扶壁墻與巖錨梁在結構上位移協調、內力平衡特點，參考重力壩壩基深層抗滑穩定計算(雙滑面，等K法)，增設扶壁墻的巖錨梁抗滑穩定分析如圖4所示，抗滑穩定極限狀態設計表達式如下：

圖4 巖錨梁(增設扶壁墻)穩定計算示意剖面

抗滑穩定安全系數：

(1)

扶壁墻與巖錨梁位移協調、內力平衡，η=η1=η2，即：

R1=[G1+FV+W)sinβ-Fhcosβ-Qsin(β-Ф)+

S1=(G1+Fv+W)cosβ+Fnsinβ-Qcos(β-Ф)

S2=QcosФ+G2

(2)

式中，Q和Ф分別為扶壁墻與巖錨梁之間的作用力及作用力與垂直面的夾角，從偏于安全考慮Ф可取為0。根據公式(2)求出接觸面抗力Q，再代入公式(1)，可求得扶壁墻和巖錨梁的抗滑穩定安全系數。按照《地下廠房巖壁吊車梁設計規范》(NB/T 35079-2016)，該系數大于1.0即滿足規范要求。

4.2 扶壁墻高度選擇

從王宏利等[2]研究成果來看：扶壁墻結構可以提高巖錨梁的穩定性，但當扶壁墻高度達到一定數值后，其對巖錨梁的抗滑穩定安全性改善效果越來越不明顯。因此有必要針對蝕變帶區域扶壁墻高度進行敏感性分析。

圖5為扶壁墻高度與巖錨梁抗滑穩定安全系數關系圖，由此可見：當扶壁墻高度為2m、5m、9m時，巖錨梁抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，安全系數分別為1.05、1.15、1.16。對于蝕變帶區域的巖錨梁，扶壁墻結構可以有效提高巖錨梁抗滑穩定安全性，但當扶壁墻高度超過5m時，提升效果并不明顯。由此初步判斷：扶壁墻高度選擇2m或5m較為經濟。

圖5 扶壁墻高度與巖錨梁抗滑穩定安全系數關系

圖6和圖7為巖壁角與巖錨梁抗滑穩定安全系數關系圖，由此可見：巖壁角與巖錨梁抗滑穩定安全系數成正比，巖壁角的增大有益于提高巖錨梁抗滑穩定安全性。當巖壁角為30°時，增設2m扶壁墻的巖錨梁抗滑穩定安全系數為0.95，不滿足規范要求；增設5m扶壁墻的巖錨梁抗滑穩定安全系數為1.05，仍然滿足規范要求。

圖6 巖壁角與巖錨梁抗滑穩定安全系數關系(扶壁墻高度2m)

圖7 巖壁角與巖錨梁抗滑穩定安全系數關系(扶壁墻高度5m)

圖8為巖/混凝土粘聚力與巖錨梁抗滑穩定安全系數關系圖，由此可見：當粘聚力為0時，增設5m扶壁墻的巖錨梁抗滑穩定安全系數達到1.10，仍然滿足規范要求。

圖8 巖/混凝土粘聚力與巖錨梁抗滑穩定安全系數關系(扶壁墻高度5m)

綜上判斷：扶壁墻高度選用5m是安全可靠且經濟合理的。

5 蝕變帶區域巖錨梁穩定性數值分析

對于常規巖錨梁設計，一般采用工程類比、經驗公式等方法，國內外也曾做過模型試驗以驗證設計假定，但是，由于模型試驗的局限性、圍巖條件的差異性和經濟性等方面原因，模型試驗并不是理想的解決問題的辦法。因此，先按經驗方法進行巖錨梁的初步設計，接著通過三維非線性有限元數值模擬進一步分析巖錨梁的受力狀態并復核各項指標，這一思路已逐步為設計人員采用。本章將采用數值計算法分析蝕變帶區域增設扶壁墻的巖錨梁效果。

5.1 計算模型與計算參數

根據巖錨梁結構設計思路和加強方案(扶壁墻高度為5m)，建立如圖9所示數值計算模型，在巖壁和吊車梁之間設置interface接觸面單元。巖錨梁采用C30混凝土澆筑，相關計算參數取值見表2。

圖9 數值計算模型

表2 數值模型力學參數取值

5.2 巖錨梁穩定性分析結果

圖10給出了增設扶壁墻方案下巖錨梁錨桿在施工期的受力特征，受廠房后續開挖卸荷影響，巖錨梁受拉錨桿應力逐步增大，洞室開挖完成后巖錨梁受拉錨桿的應力在200MPa左右。運行期橋機輪壓荷載作用下，巖錨梁受拉錨桿應力增量一般在40MPa左右，單根錨桿軸向應力最大增量分布在吊車梁與巖壁交接處。如圖11所示。

圖10 施工期廠房開挖完成巖梁錨桿受力特征

圖11 橋機輪壓荷載作用下巖梁錨桿應力增量

綜上所述，施工期開挖卸荷與運行期輪壓荷載作用相互疊加情況下，巖錨梁錨桿應力水平仍不高，具備較高的安全裕度。

根據運行期巖錨梁與圍巖接觸面法向應力分布特征(見圖12)，斜巖臺區域的壓應力最大值僅在0.4MPa左右，結合蝕變帶影響區域巖體單軸飽和抗壓強度實驗成果(表2)來看，蝕變帶影響區域圍巖承載能力滿足要求。

圖12 運行期輪壓荷載下巖錨梁與圍巖接觸面法向應力

增設扶壁墻方案能有效改善施工期和運行期的巖錨梁與巖臺接觸面應力狀態，但扶壁墻結構自身的受力狀態相對復雜，總體以豎向應力為主。圖13給出了蝕變帶洞段巖錨梁扶壁墻豎向應力云圖，扶壁墻豎向應力分布特征：扶壁墻靠近圍巖一側處于受拉狀態，最大拉應力約1.1MPa；扶壁墻外側處于受壓狀態，最大壓應力約1.7MPa。設計采用應力配筋法，針對扶壁墻配置雙層雙向鋼筋網φ25@200mm。

圖13 運行期蝕變帶洞段巖錨梁扶壁墻豎向應力云圖

6 結語

本文針對巖體蝕變影響區域巖錨梁的穩定性進行探討，分別利用剛體極限平衡法和數值分析法，重點研究了蝕變帶巖錨梁增設扶壁墻的設計方案和加強效果。結論如下：

(1)巖錨梁增設扶壁墻結構可有效提高巖錨梁的抗滑穩定性，但當扶壁墻超過一定高度后，其對巖錨梁的抗滑穩定安全性改善效果將越來越不明顯。通過抗滑穩定分析認為：對于楊房溝地下廠房蝕變帶區域的巖錨梁，增設5m高的扶壁墻是安全可靠、經濟合理的。

(2)扶壁墻結構自身的受力狀態相對復雜，靠近圍巖一側處于受拉狀態，最大拉應力可達到1.1MPa左右，設計在扶壁墻內外側配置了雙層鋼筋網，防止扶壁墻在施工期和運行期產生裂縫。

(3)數值計算表明，增設扶壁墻對運行期巖錨梁穩定有較好的控制效果，能夠有效地控制巖錨梁抗滑穩定、巖錨梁基礎受力、錨桿受力，提高了巖錨梁在施工期和運行期的安全裕度。