杨房沟水电站地下厂房洞室群排水廊道合理施工顺序数值模拟研究

张 帅，周 勇,2，潘 兵,2，蔡 波，吴 疆

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.浙江中科依泰斯卡岩石工程研发有限公司，浙江 杭州 310014)

杨房沟水电站位于四川省凉山州境内的雅砻江中游河段上，属一等大(1)型工程。枢纽主要建筑物由混凝土双曲拱坝、泄洪建筑物、引水发电系统等组成。引水发电系统建筑物主要由进水口、引水隧洞、主副厂房洞、主变室、尾水调压室、尾水隧洞、尾闸洞、地面出线场、地下厂房辅助洞室群等组成，见图1所示。主副厂房洞室开挖尺寸为230 m×30 m×75.57 m(长×宽×高)，布置4台单机容量375 MW的水轮发电机组，总装机容量1 500 MW，保证出力523.3 MW，多年平均发电量为68.557亿kW·h。

1 问题的提出

水电站厂房洞室群排水廊道的主要目的是为减少洞室顶拱和边墙在施工期和运行期的渗水问题，降低地下水渗透压力[1-2]。有时先行开挖排水廊道也可起到补充或辅助勘探的作用。一般情况下，考虑到地下水渗漏通道情况复杂，要达到较好的排水效果，排水廊道距离厂房洞室群不宜太远，但又要减少对地下洞室应力场的影响，距离一般在15～25 m。在大型水电站厂房洞室群开挖中，一般会涉及多层(3层左右)排水系统，与洞室群的空间关系复杂，因此尽量减少排水系统开挖对主洞室的施工干扰是现场设计和施工人员需要关注的重点。工程现场针对厂房洞室群多层排水廊道的开挖顺序进行合理优化和调整十分必要。

图1 厂房洞室群三维效果图

针对杨房沟厂房洞室群在不同高程布置的三层排水廊道系统，考虑到洞室群(主厂房、主变洞、尾调室等)总的规模偏大，后续开挖中存在的高边墙围岩变形和松弛问题、群洞效应问题等将逐步显现，洞室围岩变形深度和应力调整幅度均将一定程度上影响到周边布置的小洞室，故需要关注邻近部位小洞室的开挖影响特征，合理拟定各洞室的开挖方案与开挖时机。

2 研究方案

针对上述工程问题，有必要对厂房洞室群排水廊道与三大洞室的开挖顺序或开挖时机展开计算分析，通过对比不同方案下洞室群围岩的开挖力学响应特征，评估排水廊道的不同开挖时机对洞群围岩整体稳定性的影响。

厂房洞室群的空间分布及分层开挖方案如图2所示。本文数值计算分析共拟定3种不同开挖顺序方案(方案一、方案二、方案三)，用以分析评价各层排水廊道在不同顺序下开挖对三大洞室围岩稳定的影响差异，各方案的具体开挖顺序见表1中所述。

图2 开挖顺序示意图(单位：m)

开挖方案开挖顺序方案一排水廊道与三大洞室同步开挖:①上层排水廊道+上层洞室→②中层排水廊道+中层洞室→③下层排水廊道+下层洞室方案二三大洞室开挖相对滞后于排水廊道:①上层排水廊道→②上层洞室→③中层排水廊道→④中层洞室→⑤下层排水廊道→⑥下层洞室方案三排水廊道开挖相对滞后于三大洞室:①上层洞室→②上层排水廊道→③中层洞室→④中层排水廊道→⑤下层洞室→⑥下层排水廊道

3 数值计算模型与岩体力学参数

3.1 计算方法与计算模型

数值计算采用基于连续力学假定的FLAC3D程序[3]。图3为杨房沟地下厂房洞室群洞群数值计算简化二维模型，该计算模型中包含了主厂房、主变洞、尾调室、排水廊道等，各洞室空间分布关系见图3所示。

图3 厂房洞室群开挖简化二维模型

3.2 岩体本构模型及力学参数取值

研究区围岩主要为花岗闪长岩，围岩类别以II和III类为主，部分洞段节理裂隙较为发育，洞室开挖成型一般，具体取值如表2所示。岩体本构模型采用摩尔库伦弹塑性本构模型，该准则是传统Mohr-Coulomb剪切屈服准则与拉伸屈服准则相结合的复合屈服准则。

3.3 初始地应力场

岩体地应力场是地下工程最为重要的荷载之一，数值计算最基本的基础是荷载-位移、或应力-应变关系，因此地应力场的准确性直接影响到了计算成果的可靠性。杨房沟水电站厂房地下洞室群的地应力场分布规律主要依据可行性研究阶段现场地应力测试和地应力反演分析成果。表3给出了其中典型高程1 940 m和2 040 m处的地应力量值和方位角，该地应力特征可作为此次洞群开挖影响分析的初始地应力条件。

表2 岩体物理力学参数取值表

表3 洞群典型高程的地应力分布情况

4 数值计算分析

通过数值计算分别获得计算方案一、方案二和方案三条件下，洞室群典型开挖阶段的围岩开挖响应规律，包括变形场、应力场及塑性屈服区等分布情况，对比各方案下排水廊道开挖对洞群围岩整体稳定性影响特征，在此基础上，分析和评估各层排水廊道的合理开挖时机。

4.1 上层排水廊道开挖围岩响应特征

图4给出了三种开挖方案下洞群围岩变形响应特征，洞群上层开挖完成后，三种开挖方案下洞群围岩变形分布特征基本一致，洞室顶拱以竖直向下变形为主，底板主要为回弹变形。洞群上层开挖后，主厂房顶拱变形量约为22 mm，主变洞顶拱变形量约为13 mm，尾调室顶拱变形量约为17 mm，排水廊道围岩变形量级一般小于5 mm。三种方案下洞室关键部位的变形基本一致，各方案之间的差异均在0.5 mm以内。从变形的角度，由于排水廊道开挖断面较小，距离洞群主洞室有一定距离，此开挖阶段，洞群主洞室与排水廊道之间的开挖影响很小。

图5和图6分别给出了三种开挖方案下洞群上层开挖完成后围岩最大、最小主应力分布特征，三种开挖方案下洞群围岩应力场分布特征基本一致，排水廊道开挖对三大洞室围岩应力分布影响有限。

图7给出了三种开挖方案下洞群上层开挖完成后，围岩塑性区分布特征。三种方案下的洞群围岩塑性区分布特征基本一致，主厂房拱顶塑性区深度2～4 m，主变洞塑性区深度2 m左右，尾调室顶拱塑性区深度2～3 m。上层排水廊道本身洞径小，开挖后围岩塑性区很小，深度在0.5 m左右，与主洞室之间的岩柱均具有足够的弹性厚度。此开挖阶段，各洞室洞间岩柱均具有足够的弹性厚度，各洞室之间的开挖干扰较弱，各洞室围岩稳定性较好。

总体上，厂房洞室群上层开挖完成后，洞群围岩总体稳定性良好，围岩的变形量、塑性屈服深度均较小，各洞室之间的相互影响很小。从洞室群开挖的力学响应特征看，上层排水廊道的开挖紧迫性并不强，其超前或滞后主洞室上层开挖均不会对洞群整体变形及稳定造成较明显影响。现阶段主洞室现场开挖过程中并未出现受邻洞开挖影响导致的围岩稳定问题。

图4 上层排水廊道开挖围岩变形特征

图5 上层排水廊道开挖围岩最大主应力分布

图6 上层排水廊道开挖围岩最小主应力分布

图7 上层排水廊道开挖围岩塑性区分布特征

4.2 中层排水廊道开挖围岩响应特征

图8给出了三种开挖方案下厂房洞室群上、中层开挖完成后的围岩变形响应特征。此开挖阶段，各方案洞群围岩变形分布特征基本一致。主厂房顶拱变形量为10～24 mm，上游边墙变形量一般为30～50 mm，下游边墙变形量一般为30～40 mm；主变洞顶拱变形量为10～20 mm，上游边墙变形量一般为20～30 mm，下游边墙变形为10～15 mm。尾调室顶拱变形量为10～20 mm，上游边墙变形量一般为45～55 mm，下游边墙变形一般为50～60 mm。

图9和图10分别给出了三种开挖方案下厂房洞室群上、中层开挖完成后的围岩最大、最小主应力分布特征，三种开挖方案下洞群围岩应力分布特征具有相似的规律。主洞室的开挖对中层排水廊道围岩应力分布特征具有一定的影响。

图11给出了厂房洞室群上、中层开挖完成后的围岩塑性区分布特征。此开挖阶段，主厂房拱顶塑性区深度一般在2～4 m，厂房上游边墙塑性区深度5～7 m，下游边墙塑性区深度略大，在6～9 m；主变室顶拱围岩塑性区深度1.5～2.5 m，边墙塑性区深度4～6 m。尾调室顶拱围岩塑性区深度2～3.6 m，边墙塑性区深度5～10 m，排水廊道塑性区较小，在0.5～1.0 m。各洞室间塑性区均未贯通，且具有足够的安全厚度。

对比三种开挖方案，洞群围岩变形、应力状态及塑性区分布范围差异不明显。相对前一阶段开挖，各主洞室边墙围岩变形及应力松弛问题随洞室下挖开始显现，各主洞室开挖扰动范围扩大，围岩变形影响区或应力调整区与邻近部位的排水廊道间存在一定的相互影响，影响范围主要涵盖中层排水廊道。从各洞室塑性屈服区的分布特征看，各洞室的洞间岩柱仍具有足够的弹性厚度，各洞室之间的开挖干扰较弱，洞群整体稳定性相对较好。总体而言，厂房洞室群中层开挖完成后，洞群围岩总体稳定性较好，各洞室之间的相互影响较小，中层排水廊道的开挖不会明显影响主洞室的围岩稳定。

图8 中层排水廊道开挖围岩变形特征

图9 中层排水廊道开挖围岩最大主应力分布

图10 中层排水廊道开挖围岩最小主应力分布

图11 中层排水廊道开挖围岩塑性区分布特征

4.3 下层排水廊道开挖围岩响应特征

图12给出了三种方案下厂房洞室群上、中、下层开挖完成后的围岩变形响应情况，三种开挖方案下洞群围岩变形分布特征具有相似的规律，主洞室受邻近排水廊道的开挖影响很小。主厂房顶拱变形量为10～26 mm，岩锚梁位置围岩变形在60～66 mm，上游边墙变形量一般为65～75 mm，略大于下游边墙变形；主变洞顶拱变形量为10～30 mm，边墙变形量一般为10～25 mm；尾调室顶拱变形量为10～20 mm，上游边墙变形量一般为60～75 mm，下游边墙变形一般为70～90 mm。

图13和图14分别给出了三种方案下厂房洞室群上、中、下层开挖完成后的围岩最大、最小主应力分布特征，排水廊道开挖对三大洞室围岩应力分布影响有限，三种开挖方案下洞群围岩应力分布特征基本一致，主洞室受邻近排水廊道的开挖影响小。

图15给出了三种方案下厂房洞室群上、中、下层开挖完成后的围岩塑性区分布特征，受洞室后续开挖影响上层排水廊道和下层排水廊道围岩塑性区较小，在0.5～1.0 m；中层排水廊道围岩塑性区范围受主厂房和尾调室下卧开挖有增大趋势，主厂房上游侧中层排水廊道塑性区深度增长约1～2 m，而主变室和尾调室之间的中层排水廊道塑性区范围增长较大，存在贯通趋势。可见，主洞室的开挖扰动对邻近部位的中层排水廊道存在一定程度的影响。

对比三种开挖方案，洞群围岩变形、应力状态及塑性区分布范围差异不明显。相对前一阶段开挖，厂房和尾调室边墙围岩变形及应力松弛问题变得突出，各主洞室开挖扰动范围对中层排水廊道存在一定的影响，主厂房下层开挖对其上游侧的排水廊道影响较小。从各洞室塑性屈服区的分布特征看，主洞室的开挖扰动对邻近部位的中层排水廊道存在一定程度的影响，其中主变洞和尾调室间的中层排水廊道开挖需要加以关注，塑性区存在贯通趋势。

总体上，厂房洞室群中层开挖完成后，洞群围岩具备一定的整体稳定性，各主洞室之间的相互影响较小。在各主洞室进一步下卧过程中，会对中层排水廊道的围岩变形及稳定产生一定的影响，后续开挖应关注中层排水廊道的开挖时机问题。

图12 下层排水廊道开挖围岩变形特征

图13 下层排水廊道开挖围岩最大主应力分布

图14 下层排水廊道开挖围岩最小主应力分布

图15 下层排水廊道开挖围岩塑性区分布特征

5 结论与建议

通过采用对杨房沟厂房洞室群排水廊道与三大洞室的开挖顺序展开数值计算分析，对比不同方案下洞室群围岩的开挖力学响应特征和围岩整体稳定性。主要认识如下：

1)总体上，各层排水廊道相对三大洞室的规模较小，洞间距也相对较大，其自身开挖导致的围岩变形和应力调整均十分有限，不会明显影响到三大洞室的稳定性。所以，排水廊道的开挖的先后顺序并不会对厂房洞室群的整体稳定产生较大影响，其开挖时机的选定应首先满足施工期的功能性需求(排水)，其次可根据现场实际施工组织情况进行适当调整。

2)根据杨房沟水电站工程前期地质勘探和厂房洞室群第I层中导洞施工所揭露出的水文地质条件，三大洞室(厂房洞、主变洞和尾调室)已开挖洞段仅局部有少量滴水现象，总体地下水不发育，对洞室围岩稳定和施工干扰较小，预计后续施工中的地下水强度也不大(针对渗水问题可根据现场的实际情况设置一定量随机排水孔)。洞室群上层、中层排水廊道开挖适当滞后主洞室开挖对现场施工环境和洞群整体稳定性影响较小。

3)上层排水廊道的开挖对主洞室之间的开挖影响很小，仅从洞室群的围岩开挖响应来看，上层排水廊道的开挖时机可以根据施工便利进行统筹安排，其超前或滞后主洞室上层开挖均不会对洞群整体变形及稳定造成较明显影响。

4)考虑到地下厂房洞室群总的规模较大，后续开挖中存在的高边墙围岩变形和松弛问题、群洞效应问题等将逐步显现，中层排水廊道的开挖建议在主要洞室下层开挖之前完成。另外，同部位的出线竖井开挖时机也需关注，建议尽量在尾调室下层开挖之前完成出线竖井的开挖和系统支护工作。

5)主厂房下层开挖对其上游侧布置的排水廊道影响较小，下层排水廊道的开挖时机可从其功能性角度去考虑。