哈德布特水電站地下廠房施工期洞室圍巖穩(wěn)定性分析及處理措施

陳 銘

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830000)

1 概述

哈德布特水電站為新疆目前已建的最大的地下廠房[1-3]，地下洞室[4-5]中主洞室采用“一字型”布置方式，地下廠房內(nèi)布置4臺(tái)50 MW設(shè)計(jì)水頭為231.5 m的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。地下廠房上覆巖體厚為210 m左右，埋深厚度大，地下廠房位于夾片麻巖、花崗巖脈組成的混合巖中硬巖巖體內(nèi)，圍巖較完整無大的斷層通過，但局部結(jié)構(gòu)面交匯切割作用，出現(xiàn)局部巖塊滑移、塌落或局部的滑塌或碎塊的坍塌等不同類型的圍巖變形與破壞形式，根據(jù)前期勘察及開挖揭示的地質(zhì)情況，洞室群整體穩(wěn)定性較好且基本穩(wěn)定。

2 存在問題及計(jì)算目的、方法

本工程地下廠房[1-3]圍巖巖性主要為夾片麻巖、花崗巖脈的混合巖，中硬巖，圍巖完整性好，其飽和抗壓強(qiáng)度為60.4 MPa，軟化系數(shù)為0.74；飽和彈模為75.3 GPa，變模為73.1 GPa，C=6.5 MPa，K0值為5 000～8 000 N/cm3。屬Ⅱ類圍巖。

地下廠房開挖到巖錨梁[6]附近發(fā)現(xiàn)多條斷層與軟弱帶，對圍巖穩(wěn)定[7]、巖錨梁的澆筑成型與運(yùn)行期間的穩(wěn)定性帶來諸多不確定因素。此處巖體完整性較差，在壓剪和張拉情況下極易發(fā)生破壞，通過有限元[8]及離散元[9]2種方法進(jìn)行分析，對無支護(hù)與有支護(hù)情況下地下洞室圍巖[10]穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析評價(jià)，并依此確定支護(hù)方案并進(jìn)行加固處理。

3 典型斷面模型與計(jì)算結(jié)果

計(jì)算根據(jù)開挖揭示的地質(zhì)情況，建立地下洞室群的準(zhǔn)三維模型(見圖1)，巖體參數(shù)與結(jié)構(gòu)面計(jì)算參數(shù)見表1。

圖1 準(zhǔn)三維計(jì)算模型示意

3.1 計(jì)算斷面(樁號(hào)廠(橫) 0+085.000)

根據(jù)開挖的現(xiàn)狀及揭示的地質(zhì)資料，從結(jié)合實(shí)際能反映開挖中全面及代表性考慮，選取具有典型斷面(樁號(hào)廠(橫) 0+085.000)作為本次分析的計(jì)算斷面。樁號(hào)0+085.000的地質(zhì)產(chǎn)狀、有限元與離散元的計(jì)算模型見圖2，有限元模型考慮F1、F7和L1，離散元模型考慮F1、F7、L1與L19，由于不能確定裂隙與軟弱帶的范圍，計(jì)算分析時(shí)認(rèn)為其無限延展。

表1 巖體參數(shù)

a 地質(zhì)描述

b 有限元模型

c 離散元模型

離散元的結(jié)果顯示，未支護(hù)情況下，受到斷層與洞壁形成的順傾向構(gòu)造，導(dǎo)致上游拱角處變形較大，最大變形為4.45 cm，無支護(hù)情況下離散元計(jì)算見圖3，裂隙與斷層的錯(cuò)動(dòng)變形較大，最大剪切位移達(dá)到6 cm，對于洞室的整體穩(wěn)定有較大影響，存在潛在的滑移危險(xiǎn)。錨桿支護(hù)情況下離散元計(jì)算見圖4，支護(hù)后錨桿鎖住了表層脫落的巖塊，巖體變形為2.96 cm，巖體變形明顯減小，但局部錨桿的受力較大，錨桿的最大錨固力達(dá)到接近890 kN，系統(tǒng)錨桿[11]已經(jīng)進(jìn)入破壞狀態(tài)，必須增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，避免后續(xù)開挖引起系統(tǒng)錨桿大范圍的破壞。

利用有限元計(jì)算后可以發(fā)現(xiàn)，無支護(hù)情況下，圍巖的整體變形不大，但是在裂隙與斷層出露局部出現(xiàn)較大的變形，尤其上游圍巖受到順傾向地質(zhì)構(gòu)造的影響，變形圍巖受到斷層與裂隙的影響，巖錨梁附近圍巖的塑性區(qū)[12]范圍較大，而且主要集中在巖錨梁附近，上游巖梁的塑性區(qū)深度較大, 無支護(hù)情況下有限元計(jì)算見圖5所示。采用系統(tǒng)錨桿僅能對表層巖體支護(hù)，很難對其深部巖體及斷層進(jìn)行加固，因此難以控制巖體局部產(chǎn)生的大變形,錨桿支護(hù)情況下有限元計(jì)算見圖6所示。

a 圍巖變形

b 剪切錯(cuò)動(dòng)

c 最大主應(yīng)力

a 圍巖變形

b 錨桿力

a 圍巖變形

b 塑性區(qū)

b 塑性區(qū)

3.2支護(hù)方案及加固

3.2.1支護(hù)方案

對于大跨度大型地下洞室，當(dāng)出現(xiàn)多條裂隙與斷層貫穿洞室時(shí)，為保證圍巖的穩(wěn)定性，往往采用錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，目前錨索的類型主要有拉力型、壓力型與復(fù)合型。其中改進(jìn)的壓力分散性型錨索[13]可有效改善內(nèi)錨頭的應(yīng)力分布狀態(tài)，充分發(fā)揮巖土自承的潛力，提高加固的可靠度，在巖土工程中得到越來越多的應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力錨索通過主動(dòng)施載改善并改變巖體薄弱層的性能和不利趨勢，其可大致分為以下幾方面：聯(lián)結(jié)作用；組合作用；巖殼效應(yīng)：互補(bǔ)性加強(qiáng)作用。

本工程中，參考國內(nèi)水電站錨索的設(shè)計(jì)方案見表2，結(jié)合哈德布特水電站地下洞室群的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)壓力分散性系統(tǒng)錨索，具體方案為3 m×3 m，預(yù)應(yīng)力為1 000 kN，錨索的長度為10 m與15 m間隔布置，錨索的具體截面尺寸見圖7。

表2 各工程支護(hù)方式

圖7 錨索截面示意

3.2.2加固計(jì)算(樁號(hào)廠(橫) 0+085.000)

錨索的支護(hù)結(jié)構(gòu)示意見圖8。

利用離散元計(jì)算支護(hù)后巖體局部變形的最大值為1.97 cm，與系統(tǒng)錨桿支護(hù)的2.96 cm相比，圍巖變形降低了42%，錨索支護(hù)情況下離散元計(jì)算見圖9所示。利用有限元計(jì)算圍巖變形的結(jié)果為3.52 mm，與系統(tǒng)錨桿支護(hù)的4.61相比，圍巖變形降低了23%，錨索支護(hù)情況下有限元計(jì)算見圖10～圖11。比較錨索支護(hù)[14]前后圍巖的變形可以發(fā)現(xiàn)，利用錨索的懸吊作用可以控制表層巖體局部的圍巖變形，而且可以與巖體協(xié)調(diào)變形，持續(xù)提供一定強(qiáng)度的錨固力；另外其預(yù)應(yīng)力也可以通過增加接觸面的法向力，對深部巖體進(jìn)行加固支護(hù)。由于錨索為局部加固，對提高巖體的強(qiáng)度與完整性作用不大，因此，巖體塑性區(qū)范圍沒有發(fā)生變化。

圖8 錨索典型斷面示意

2種計(jì)算方法的不同支護(hù)情況計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 斷面結(jié)果對比 cm

a 圍巖變形

b 錨索受力

a 圍巖變形

b 塑性區(qū)

a 錨索支護(hù)

b 系統(tǒng)錨桿

4 處理措施

根據(jù)巖錨梁附近多條斷層與軟弱帶的實(shí)際情況，通過采用離散元及有限元對無支護(hù)與有支護(hù)情況下2種方法對比計(jì)算，須對此處進(jìn)行處理。結(jié)合計(jì)算成果，具體主要采用以下處理措施：

1) 在斷層影響區(qū)域增設(shè)對穿錨索及上、下游錨索。

2) 處理斷層破碎帶時(shí)，沿?cái)鄬由稀⑾赂?0～50 cm開挖，深度為斷層寬度的1.5～2.0倍。對斷層破碎帶采用C30鋼筋混凝土塞換填的方式。

3) 換填混凝土塞錨桿伸入基巖4 m，外露1 m。砼塞錨桿方向及位置、數(shù)量可根據(jù)實(shí)際巖層狀況、監(jiān)理工程師及現(xiàn)場設(shè)計(jì)地質(zhì)工程師的指示進(jìn)行調(diào)整。錨桿與鋼筋網(wǎng)必須有效連接。

4) 增加該部位的臨時(shí)監(jiān)測，增加永久監(jiān)測斷面及錨索的監(jiān)測設(shè)備布置，采用多點(diǎn)位移計(jì)。

具體的處理措施見巖錨梁斷層處理示意(樁號(hào)廠(橫) 0+085.000)見圖12。

圖12 巖錨梁斷層處理示意

5 結(jié)語

哈德布特水電站地下廠房洞室圍巖位于強(qiáng)度較高、完整性較好、埋深厚度大、的較新鮮巖體內(nèi)，圍巖無大的斷層通過，根據(jù)圍巖物理力學(xué)參數(shù)，屬II類圍巖。本工程在初步設(shè)計(jì)后即開展三維有限元分析計(jì)算，得出圍巖整體穩(wěn)定的基本結(jié)論，并對洞室提出主要采用系統(tǒng)支護(hù)的建議。洞室開挖過程中，在巖錨梁附近發(fā)現(xiàn)多條斷層與軟弱帶，通過選擇典型斷面采用有限元與離散元2種方法對比計(jì)算，結(jié)合計(jì)算分析成果主要采取的工程措施：① 采用一定深度的混凝土塞置換該部分?jǐn)鄬樱谥脫Q的混凝土塞一定范圍內(nèi)增加8～11 m長的砂漿錨桿，加強(qiáng)置換混凝土與圍巖的連接；② 結(jié)合上、下游的已有洞室(上游水平排水洞及下游交通支洞)增設(shè)1 000 kN的對穿錨索，同時(shí)在斷層影響范圍上下游增設(shè)部分錨索，工程措施符合實(shí)際情況的同時(shí)施工相對簡單。

通過采用有限元與離散元2種方式分析計(jì)算有支護(hù)和無支護(hù)2種情況下圍巖的穩(wěn)定性，結(jié)合計(jì)算成果制定了符合現(xiàn)場實(shí)際的加固措施并取得良好效果，工程目前運(yùn)行正常，效益良好。同時(shí)為地下洞室類似問題的處理積累了部分經(jīng)驗(yàn)，希望能對相似的工程具有積極的作用。