王 槐，蘇 超，張 峰，熊治富

(1.重慶蟠龍抽水蓄能電站有限公司，重慶401452；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098)

0 引 言

近年來，我國大型水電站多采用地下式廠房，廠房的開挖破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布，隨著地下廠房不斷開挖，應(yīng)力重分布區(qū)域逐漸增大，最終使得圍巖承受的荷載過大而失穩(wěn)破壞。為了防止洞室失穩(wěn)，要對洞室進(jìn)行支護(hù)，以提高圍巖的整體性，限制圍巖的變形。國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作來優(yōu)化支護(hù)設(shè)計[1]，楊映等[2]結(jié)合思林水電站地下廠房支護(hù)施工實(shí)際，對地下工程常用的幾種支護(hù)形式如噴混凝土、鋼筋網(wǎng)、錨桿、錨索等進(jìn)行了分析討論；謝思思等[3]針對漫灣水電站二期工程地下廠房圍巖穩(wěn)定性總體較差的情況，設(shè)計聯(lián)合支護(hù)方案，并確定基本支護(hù)參數(shù)，進(jìn)行了大量的設(shè)計優(yōu)化調(diào)整工作；胡林江[4]針對溧陽抽水蓄能電站地下廠房的工程地質(zhì)條件，對地下廠房設(shè)計支護(hù)參數(shù)進(jìn)行分析，采用聯(lián)合支護(hù)形式，對F54斷層和開挖過程中情況異常部位采取了有針對性的加固措施；彭薇薇等[5]針對大發(fā)水電站在頂拱開挖后揭示出f1斷層及其他四組裂隙，地質(zhì)條件較可研階段發(fā)生了較大變化的情況，對支護(hù)方案進(jìn)行了重新研究，確定采用全斷面鋼筋混凝土襯砌的支護(hù)形式；胡正凱等[6]針對句容抽水蓄能電站地下廠房洞室群復(fù)雜的工程地質(zhì)條件擬定3種不同的支護(hù)方案，運(yùn)用3DEC建立數(shù)值分析模型，對不同支護(hù)方案進(jìn)行圍巖穩(wěn)定分析，最終確定適合該地下廠房洞室群的合理支護(hù)措施。本文針對蟠龍抽水蓄能電站地下廠房頂拱存在有軟巖層這一具體問題，針對若實(shí)際地質(zhì)情況與勘測情況不符時，即軟巖厚度增加或可能出現(xiàn)的硬巖貫穿裂隙情況進(jìn)行研究，分析有支護(hù)條件下的頂拱圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)作用效果。

1 工程地質(zhì)條件

重慶蟠龍抽水蓄能電站位于重慶市綦江區(qū)中峰鎮(zhèn)境內(nèi)，電站裝機(jī)容量 1 200 MW(4× 300 MW)，屬一等大(1)型工程，主要永久性建筑物按1 級建筑物設(shè)計。地下洞室區(qū)穿越夾關(guān)組(K2j)和蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)兩組地層，夾關(guān)組(K2j)地層為紫紅色厚～巨厚層礫巖、砂巖、粉砂巖及泥巖，其中礫巖、砂巖一般占76.4%，粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖占14.7%，泥巖、粉砂質(zhì)泥巖占8.9%；蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)地層為紫灰至綠色砂巖、粉砂巖、泥巖等，其中砂巖占32.5%，粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖占25.9%，泥巖、粉砂質(zhì)泥巖占41.6%；由巖性組合情況可知，輸水系統(tǒng)洞室以砂巖為主，約占75%。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

模擬蟠龍抽水蓄能電站地下洞室群實(shí)際洞體結(jié)構(gòu)(全部機(jī)組段)和廠區(qū)實(shí)際地形及地質(zhì)條件(包括各類結(jié)構(gòu)面等)，建立如圖1所示的三維有限元計算模型。模型原點(diǎn)取在1號機(jī)組中心，原點(diǎn)高程為451.9 m。主廠房軸線方向?yàn)閄軸，指向副廠房方向?yàn)檎?，垂直于主廠房軸線方向?yàn)閅軸，指向主變室方向?yàn)檎Q直方向?yàn)閆軸，向上為正。模型計算范圍：廠房軸線方向取669 m，左側(cè)離主廠房左側(cè)墻體250 m，右側(cè)離主廠房右側(cè)墻體250 m，其中機(jī)組段共169 m；上游離主廠房上游墻250 m，下游離主變室下游墻200 m；垂直方向向下為主廠房底板以下200 m，向上為主廠房頂拱至地表面。計算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為102 542，單元數(shù)為594 312。計算采用Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則。數(shù)值計算中所選用的各類巖體的材料參數(shù)如表1所示。

圖1 三維有限元模型

圍巖類別ρ/kg·m-3E/GPaνc/MPaφ/(°)III類圍巖(594 m高程以上)2 5507.00.2300.90045.00III類圍巖(594 m高程以下)2 5507.50.2300.95046.40IV類軟巖2 5004.50.2600.35033.00IV～V類軟巖2 4603.90.2680.30530.96

2.2 關(guān)鍵點(diǎn)選取

為了簡便直觀的說明主廠房頂拱在不同工況下的位移變化特征，選取了具有代表性的關(guān)鍵點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)的位置見圖2。

圖2 洞周關(guān)鍵點(diǎn)示意(單位：m)

2.3 支護(hù)參數(shù)

設(shè)計支護(hù)參數(shù)：襯砌，噴鋼纖維混凝土厚0.2 m；錨桿為預(yù)應(yīng)力錨桿Φ32/28 mm@1.125 m×1.5 m，L=9 m/6 m菱形布置，T=100 kN；錨索數(shù)據(jù)為L=28～35 m，8排，間距4.5 m，T=2 000 kN/1 500 kN。圖3為錨桿、錨索的平面布置示意。

圖3 錨桿、錨索平面示意

2.4 計算工況

選取3種不同的地質(zhì)條件，分別分析其穩(wěn)定性以及支護(hù)效果。

(1)工況1在頂拱上部的軟巖與主廠房頂拱之間距離5.0 m，軟巖最薄處厚度0.8 m，貫穿整個模型。

(2)工況2在工況1基礎(chǔ)上增加軟巖厚度，軟巖下部水平、距拱頂1.0 m。

(3)工況3在工況1基礎(chǔ)上假設(shè)有1條1 m厚的軟巖與廠房頂拱聯(lián)通，軟巖傾角為60°。

圖4 無支護(hù)和設(shè)計支護(hù)情況下3號機(jī)組各工況斷面洞周圍巖塑性區(qū)分布

3 計算結(jié)果

表3為主廠房頂拱開挖結(jié)束后，無支護(hù)和設(shè)計支護(hù)下3號機(jī)組各工況斷面洞周圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位移值，圖4給出了各工況塑性區(qū)分布示意。從中可以看出：設(shè)計工況(工況1)下，無支護(hù)時拱頂向下收縮，拱座向外擴(kuò)張；軟巖、拱座和右側(cè)拱肩均有塑性區(qū)發(fā)育。在支護(hù)作用下拱頂鉛直向位移收縮值減小了7.13%，拱座水平位移擴(kuò)張值增大；軟巖和拱肩的塑性區(qū)發(fā)育程度降低。軟巖加厚工況(工況2)下，頂拱以上軟巖范圍增大，軟巖底部與拱頂?shù)木嚯x減小，因而塑性區(qū)范圍顯著變大，拱頂位移也大幅增加。在支護(hù)作用下，塑性區(qū)發(fā)育程度明顯降低，拱頂位移值減小了21.22%。與工況1相比，支護(hù)效果顯著增加，支護(hù)利用率大大提高。頂拱硬巖裂隙有聯(lián)通工況(工況3)下，軟巖下游部分和聯(lián)通區(qū)域軟巖均進(jìn)入塑性狀態(tài)，位移較工況1也有所增大。在支護(hù)作用下，軟巖塑性區(qū)發(fā)育程度降低，并且兩軟巖的塑性區(qū)斷開，拱頂位移值減小了10.63%。該地質(zhì)條件下圍巖穩(wěn)定性弱于工況1，但遠(yuǎn)比工況2好，而支護(hù)利用率遠(yuǎn)低于工況2。支護(hù)能提高圍巖的整體性，控制圍巖變形，并能減小塑性區(qū)范圍，降低塑性區(qū)的發(fā)育程度。圍巖穩(wěn)定性越差時，支護(hù)的利用率就越高，越能充分發(fā)揮其作用。

表3 各工況下3號機(jī)組斷面洞周關(guān)鍵點(diǎn)位移值 mm

4 結(jié) 論

本文建立了蟠龍抽水蓄能電站地下廠房區(qū)域的三維有限元模型，分析了不同地質(zhì)條件下主廠房頂拱的圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)效果。結(jié)果表明：頂拱區(qū)域地質(zhì)條件越差時，拱頂位移越大，塑性區(qū)發(fā)育程度也越大；在支護(hù)作用下，位移減小，塑性區(qū)發(fā)育程度降低，且能使一些危險的構(gòu)造如塊體等變得相對安全；圍巖穩(wěn)定性越差時，支護(hù)所能發(fā)揮的作用也越大。分析成果可為頂拱的支護(hù)設(shè)計提供參考依據(jù)。