福建云霄抽水蓄能電站地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定分析

何艷麗

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

大型抽水蓄能電站地下廠房洞室群規(guī)模大，洞室密集，施工條件復雜，主要洞室邊墻高、跨度大，地下廠房洞室群的施工開挖順序和圍巖支護參數(shù)等都將直接影響地下廠房洞室群的圍巖穩(wěn)定、工程投資和電站的安全運行[1-4]。本文結合福建云霄抽水蓄能電站地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定分析的實例，為類似工程的設計和計算提供參考。

2 工程概況

福建云霄抽水蓄能電站位于福建云霄縣火田鎮(zhèn)，水電站場址距漳州市、廈門市、泉州市的直線距離分別為52 km、81 km、150 km。樞紐建筑物由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關站、下水庫及場內永久道路等部分組成。電站安裝6臺單機容量為300 MW的單級立軸混流可逆式水泵水輪機-發(fā)電電動機組，總裝機容量為1 800 MW。地下廠房采用中線中部式開發(fā)方案，上覆巖體厚度為310～380 m。主副廠房洞、主變洞、尾閘室3大洞室平行布置方式。主副廠房洞開挖尺寸為231.0 m×25.5 m×56.8 m(長×寬×高，下同)，主變洞開挖尺寸為212.0 m×21.0 m×22.95 m，距主廠房下游40 m處，尾閘室開挖尺寸為147.0 m×7.8 m×17.45 m，位于主變洞下游側33.5 m處。機組安裝高程為33.0 m，發(fā)電機層高程為48.0 m。

在洞室群布置方案和結構形態(tài)已經確定的條件下，地下工程圍巖穩(wěn)定性主要取決于巖體地質條件，包括工程區(qū)初始地應力狀態(tài)、巖性條件、和巖體結構面發(fā)育特征[5-7]。

本工程地下廠房所處山體雄厚，地表植被茂密，地面高程為360～420 m左右，上覆巖體厚度約290～350 m。山坡坡度為25°～30°。地下廠房北東和南東側均發(fā)育1條近EW向沖溝，沖溝切深為10～20 m；北東側沖溝發(fā)育斷層F88，產狀N60～70°W/NE∠70～80°，b=2～3 m，為碎塊巖、塊狀巖及碎裂巖，壓扭性。工程區(qū)域地質構造情況見圖1。

圖1 工程區(qū)域地質地質構造示意

3 計算條件與計算模型

本次計算采用三維非連續(xù)力學離散元軟件3DEC。非連續(xù)力學方法是在連續(xù)力學方法如有限元基礎上能夠模擬大量接觸面(節(jié)理)，因此，非連續(xù)力學方法包括兩大部分，塊體和接觸。其中塊體為連續(xù)體，采用連續(xù)力學理論方法求解，后者體現(xiàn)了介質的非連續(xù)性[8-9]。

本次計算采用國內外普遍接受的理想彈塑性本構和胡克-布朗強度準則，相比巖體而言，結構面的本構和強度準則研究成果要少得多，因此選擇余地相對較小。本次分析對結構面選擇了理想彈塑性本構和摩爾—庫倫強度準則,根據水壓致裂法或應力解除法測得現(xiàn)場的地應力水平和方位，將地應力施加到模型的全部塊體上；同時對模型邊界施加合理的邊界條件，如邊界固定產生變形或者邊界有固定頻率的加速度等。

本工程地下廠房區(qū)域圍巖以新鮮-微風化的II類和III類鉀長花崗巖為主，Ⅱ類圍巖約占42%，Ⅲ類圍巖約占58%，巖體完整性相對較好。根據地勘資料和巖石室內試驗的成果，對圍巖主要物理力學性質指標進行取值。具體計算時采用的巖體基本力學參數(shù)為：GSI=55，UCS=120 MPa，mi=32。

對圍巖變形穩(wěn)定性影響相對較大的是圍巖內發(fā)育的構造，包括巖脈、斷層和節(jié)理，其中以斷層影響相對最大，是本次計算分析中模擬的重點地質條件。為此，模型中模擬了在廠房及其附近出露的18條斷層，斷層寬度一般在0.1～0.5 m，寬度超過1 m的斷層為f323沒有與地下廠房洞室群交切。地下廠房洞室群三維計算模型見圖2。

圖2 地下廠房洞室群三維計算模型示意

4 初始地應力反演

通過在地質探洞高岔段的鉆孔內進行了水壓致裂法、應力解除法地應力測試，得到2種地應力測試方法的成果基本相當。

水壓致裂法：最大水平主應力為N38°W-N67°W，在高程為14～100 m(即地下廠房洞室群分布高程范圍)，最大水平主應力σH量值為10.6～16.1 MPa，最小水平主應力σh為7.2～11.1 MPa，鉛直應力σv為8.9～11.4 MPa。應力隨深度(埋深H)變化線性關系較好，最大(σH)與最小(σh)水平主應力隨深度變化相關關系式：

σH=9.00+0.015(H-100)

(1)

σh=5.40+0.014(H-100)

(2)

應力解除法：最大水平主應力為N38°W-N67°W，在高程25～-120 m(即地下廠房洞室群分布高程范圍)，最大水平主應力σH量值為11.2～-12.5 MPa，最小水平主應力σh為8.5～11.0 MPa，鉛直應力σv為8.7～11.4 MPa。應力隨深度(埋深H)變化線性關系較好，最大(σH)與最小(σh)水平主應力隨深度變化相關關系式：

σH=6.00+0.0242(H-100)

(3)

σh=3.00+0.0212(H-100)

(4)

2種不同測試方法獲得的水平主應力與埋深的關系如圖3所示，在地下廠房洞室群區(qū)域(埋深為300～400 m)，水壓致裂法擬合公式得到的水平主應力略大于應力解除法的成果，但兩者在量值上的差別在1 MPa以內。具體計算分析時采用水壓致裂方法擬合公式(地應力相對更大)。圖4表示了模型所模擬的初始地應力場分布，最大水平主應力方向為N55°W，從應力張量圖可以看到實測地應力的上述基本特征得到了正確體現(xiàn)，可以作為本次計算分析的基礎，進行洞室開挖和支護的模擬分析。

圖3 地下廠房區(qū)域實測地應力特征示意

圖4 模型模擬的初始地應力場分布示意

5 開挖支護方案

根據洞群規(guī)模，施工組織設計需要，主副廠房洞分為7層開挖，主變洞分為3層開挖，尾水閘門室分為3層開挖分步開挖設計方案(見圖5)。

地下洞室支護設計通常遵循以下原則：遵循“以已建、在建工程經驗和工程類比為主，巖體力學數(shù)值分析為輔”的設計原則；采取支護與排水并重的設計原則；充分發(fā)揮圍巖本身的自承能力，圍巖支護設計遵循“噴錨柔性支護為主、剛性支護為輔，系統(tǒng)支護為主、局部加強支護為輔”的設計原則；對于有地質缺陷的局部洞段以及在結構和功能上有特殊要求的洞室，采用噴錨支護和鋼筋混凝土襯砌相結合的復合支護方式[10-12]。

根據廠區(qū)的實際地質條件、洞室規(guī)模等，類比我國已建、在建的抽蓄工程，初擬3大洞室的支護參數(shù)方案見表1。此外，對于主廠房上下游邊墻受斷層影響的部位，考慮設置加強錨桿Φ28、L=9 m/12 m，根據開挖后的實際地質情況，局部考慮設置隨機預應力錨索100 t級、L=25 m。地下廠房洞室群采用錨噴支護柔性襯砌作為洞室永久性襯砌支護。對于洞室相互交叉的部位，由于爆破松動影響，圍巖變形應力分布條件復雜，則采用超前錨桿和鋼筋混凝土鎖口襯砌以保安全。

本次計算進行了分步開挖不支護、分步開挖分步錨桿支護兩者種工況的模擬，前者側重揭示圍巖穩(wěn)定特征，后兩者的對比分析說明2種不同支護方案的支護效果。

圖5 地下廠房洞室群分步開挖設計方案示意

表1 地下廠房洞室群主要支護參數(shù)

6 地下廠房圍巖穩(wěn)定計算分析

6.1 變形特征

圖6、圖7為開挖不支護和開挖支護條件下圍巖變形場分布，表2為支護后地下廠房上下游邊墻變形典型點情況。其中開挖不支護揭示了圍巖地質條件和洞室結構對圍巖變形的影響，計算結果顯示，洞室結構特征(規(guī)模和形態(tài))是影響變形分布的控制性因素，主廠房邊墻中上部區(qū)域變形量相對最大，其余部位因為洞室規(guī)模小很多，變形量也相對低很多。斷層的工程影響通過與結構的關系體現(xiàn)，由于斷層與洞室軸線交角較大(軸線布置設計時避開了與斷層的不利組合)，其影響程度總體較小，在廠房邊墻一帶出露時的影響相對較大一些，但范圍相對有限，對局部圍巖起作用。

支護可以比較有效地控制洞室群的“不良”變形，所謂不良變形，指開挖彈性釋放以外的變形，包括后續(xù)開挖的應力擾動、斷層變形、圍巖屈服變形等。因此，支護的作用也主要體現(xiàn)在“不良”變形相對比較明顯的部位，即主廠房兩側邊墻、尤其是與其他洞室交界和存在斷層影響的部位，而其他洞室圍巖變形量相對較低，“不良”變形相對更小，支護對不良變形的制約作用沒有得到充分體現(xiàn)，此時的支護系統(tǒng)主要起到安全儲備的作用，與開挖不支護時相比，支護可以使廠房邊墻一帶的最大變形量減低5～10 mm。圍巖支護后的最大變形為60.4 mm，位于斷層f338下盤廠房上游側邊墻中部，上下游邊墻與斷層f318、f338、f339交切位置的一般變形為30～50 mm，非斷層影響區(qū)域位置的變形為20～30 mm。圍巖變形略高于廣東境內抽水蓄能電站的變形量級，與全國范圍內水電站地下廠房相比，屬于正常范圍，與近年完成和目前在建的西部大型水電站地下廠房如錦屏一級、白鶴灘相比，其最大變形量要小很多，西部工程地下廠房實測最大變形量都超過100 mm。

圖6 開挖不支護條件下洞室群圍巖變形分布示意(單位：mm)

圖7 開挖支護條件下洞室群圍巖變形分布示意(單位：mm)

表2 地下廠房上下游邊墻變形典型點統(tǒng)計(支護)

6.2塑性區(qū)特征

工程中圍巖支護系統(tǒng)對改變圍巖應力狀態(tài)的作用非常有限，如錨固系統(tǒng)能夠為圍巖施加的支護壓力一般不超過0.5 MPa，往往低于圍巖初始應力水平、或者開挖過程中圍巖應力變化量，因此，支護系統(tǒng)往往不對屈服區(qū)形成明顯影響，但可以影響斷層等結構面非連續(xù)變形導致的圍巖屈服。

圖8為不支護和支護條件下發(fā)電機層48.0 m高程平切面圍巖屈服區(qū)對比，表3為支護條件下不同機組剖面典型高程塑性區(qū)深度情況。計算結果顯示，支護系統(tǒng)并不明顯地改變這兩個剖面屈服區(qū)分布特征，主要原因是支護系統(tǒng)對圍巖應力狀態(tài)的影響相對有限。主廠房頂拱塑性區(qū)深度為1.2～3.0 m，邊墻塑性區(qū)深度為3～6 m(斷層f338、f318等影響位置、母線洞上方等，局部塑性區(qū)深度為7～10 m)；主變洞頂拱塑性區(qū)深度為1.0～2.5 m，邊墻塑性區(qū)深度為1.0～3.0 m(斷層f318下盤影響位置塑性區(qū)深度為3～4.5 m)；尾閘室頂拱塑性區(qū)深度為1～1.5 m，邊墻塑性區(qū)深度為1.0～3.0 m；主廠房、主變洞、尾閘室頂拱的系統(tǒng)錨桿長度均超出塑性區(qū)深度，3大洞室邊墻位置的系統(tǒng)錨桿除結構面交切位置外，系統(tǒng)錨桿長度也均超過塑性區(qū)深度。

圖8 不支護和支護條件下E.L.48平切面圍巖屈服區(qū)對比示意(單位：m)

表3 不同機組剖面典型高程塑性區(qū)深度統(tǒng)計(支護)

6.3 應力特征

鑒于支護系統(tǒng)給圍巖提供的支護壓力一般在0.5 MPa以內，對圍巖最小主應力應力分布的影響還是存在一定的影響，特別是廠房邊墻的拉應力區(qū)范圍和深度，在系統(tǒng)支護作用明顯得到改善。

表4為支護條件下48.0 m高程平切面典型位置廠房邊墻拉應力區(qū),圖9、圖10分別為不支護和支護條件下E.L.48高程洞室群圍巖最大、最小主應力分布,總體上支護后的廠房邊墻拉應力區(qū)深度為0～6.4 m。從主應力的分布特征看，由于巖體強度較高，在母線洞與主變洞交岔口拐角處，交通洞與主變、廠房交岔口拐角處等均存在較為明顯的應力集中，最大主應力超過40 MPa，其位置將表現(xiàn)為破裂等輕微的脆性響應特征。從圍巖最小主應力應力分布看，廠房高邊墻松弛為主的變形響應使得邊墻的的拉應力分布較為普遍，特別是邊墻中部，目前的錨桿支護深度已基本穿過拉應力區(qū)深度。

6.4 支護受力特征

由于錨桿受力明顯受到斷層、節(jié)理、裂隙等影響，特別是全長粘結性錨桿，在結構面交切位置受力明顯要大于非結構面交切位置。圖11為數(shù)值模型獲得的錨桿荷載分布，錨桿荷載最大值為250 kN(數(shù)值模型中設定的錨桿抗拉極限為250 kN)，主要在于斷層f314，f317、f318，f338和f339等斷層交切的洞室邊墻位置，其他位置的錨桿軸力一般在100 kN以內，錨桿受力總體滿足設計要求。

表4 E.L.48.0高程平切面典型位置廠房邊墻拉應力區(qū)(支護)

圖9 不支護條件下E.L.48高程洞室群圍巖最大、最小主應力分布示意(單位：MPa)

圖10 支護條件下E.L.48高程洞室群圍巖最大、最小主應力分布示意(單位：MPa)

根據數(shù)值分析計算結果表明，圍巖變形、塑性區(qū)等相比此前均有不同程度的減小：廠房圍巖變形在20～50 mm，局部最大變形為60 mm；主廠房頂拱塑性區(qū)深度為1.2～3.0 m，邊墻塑性區(qū)深度為3～6 m(斷層交切位置7～10 m)均小于系統(tǒng)錨桿長度，錨桿受力一般在100 kN以內，目前的系統(tǒng)支護設計是合理的，針對斷層交切位置采取如9/12 m長錨桿或者布置一定數(shù)量錨筋束的局部加強支護方案是必要的。

圖11 錨桿荷載分布示意

7 結語

根據三維數(shù)值分析計算結果，設計的支護方案能夠滿足廠房穩(wěn)定安全要求，斷層出露的局部部位可能存在錨桿安全性不足問題，采用隨機支護進行局部加強的解決方式。