海南琼中抽水蓄能电站地下厂房支护设计

周 飞，童恩飞

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)

1 工程概况

海南琼中抽水蓄能电站(以下简称“海蓄电站”)位于海南省琼中县境内，枢纽建筑物主要由上水库、输水系统、发电厂房及下水库等4部分组成，安装3台单机容量200 MW的可逆式水泵水轮机组，总装机容量600 MW。地下厂房采用首部式布置，引水系统采用“一洞三机”的联合供水方式， 尾水系统采用“三机一洞”方式。上水库正常蓄水位高程567 m，下水库正常蓄水位高程253 m，机组额定水头308 m。

海蓄电站为二等大(2)型工程，地下厂房按2级建筑物设计，设计标准按100年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。地震基本烈度为Ⅵ度，设防类别为乙类，永久建筑物采用基本烈度6度作为设计烈度，按基准期50年超越概率10%的地震动参数进行设计。

地下厂房洞室群主要由主厂房、主变洞、母线洞、主变运输洞、电缆交通洞、高压电缆平洞、电缆斜井、排风竖井、排水廊道等洞室组成。从发电工况水流方向看，依次平行布置有主厂房、主变洞和尾水闸门室3大洞室。主厂房洞室纵轴线方向为N50.60°E，开挖尺寸为130.5 m×24 m×54.4 m(长×宽×高)；主变洞位于主厂房下游，开挖尺寸为105.8 m×19 m×20.6 m (长×宽×高)，与主厂房洞室之间的岩体厚度为40 m；尾闸室位于主变洞下游25.5 m，开挖尺寸为80.35 m×11 m×26.6 m (长×宽×高)。

2 地下厂房区域地质条件

地下厂房布置于三曲岭山脊偏西侧(下水库方向)山体内，山体雄厚，地形坡度38°～42°，地表高程600～665 m，顶拱埋深386～402 m，上覆弱风化～新鲜岩体厚350～310 m，洞室围岩以微风化～新鲜下白垩统鹿母湾组碎屑岩为主，岩性为含砾砂岩、含砾长石石英砂岩，岩石较致密坚硬，力学强度较高，微风化～新鲜岩石的饱和抗压强度平均值大于60 MPa。据平硐、钻孔资料，地下厂房布置区岩体透水性微弱，地质构造较简单，无规模较大的断层分布，岩体完整性较好，围岩岩石质量指标RQD为70%以上，且厂房布置区分布小型断层，局部节理裂隙较发育，结构面发育方向以NNW、NEE向及NW向为主，多为中、陡倾角，缓倾角节理整体发育较弱，但局部相对较发育密集，结构面为Ⅲ级及以下断裂结构面，少数延伸较长。

地下厂房区小型断层、岩脉及节理裂隙密集部位围岩类别为Ⅳ1类，约占整个洞室的6%，其他部位围岩类别以Ⅲ类为主，Ⅲ1、Ⅲ2类围岩约占整个洞室的80%，Ⅱ类围岩约占整个洞室的14%。

图2 地下厂房锚杆和锚索布置

3 围岩总体稳定性分析

地下厂房支护设计采用以工程类比法为主、理论计算为辅的设计方法[1]，根据规范、工程地质条件和类似工程的建设经验初拟系统支护形式和参数，通过三维有限元计算进行地下厂房围岩稳定性分析，验证围岩的稳定性和支护的合理性和有效性，并对特殊部位提出专门的支护处理措施。地下厂房及主变洞初拟系统支护参数：

主厂房顶拱及边墙均采用锚喷支护，锚杆Ф25@3.0 m×1.5 m、杆长L=5 m/7 m相间布置；顶拱喷钢纤维混凝土150 mm；边墙挂网喷混凝土150 mm。

主变洞顶拱及边墙均采用锚喷支护，锚杆Ф25@3.0 m×1.5 m、L=4 m/7 m相间布置；顶拱喷钢纤维混凝土150 mm；边墙挂网喷混凝土150 mm。

主厂房与主变洞之间布置2排预应力对穿锚索，张拉力T=2 000 kN、@6.0 m×6.0 m、L=40 m。

根据地形、地质资料及实测地应力成果，通过有限元计算反演回归，拟合出了三维初始地应力场；在此基础上，结合厂区的地形地质条件、岩体结构、围岩物理力学特性和地应力特征，建立相应的力学分析模型，对施工期(含毛洞和支护工况)进行了洞室稳定性及支护计算分析，对围岩参数进行了敏感性分析，得到了围岩的变形和应力分布规律，给出了锚杆应力分布范围，描绘了围岩屈服区的分布情况，从而论证开挖方式和支护参数的合理性。

3.1 变形分析成果

①～③机轴线剖面监测点布置示意见图1。图中，Ⅰ～Ⅶ为开挖顺序；1～13为位移计。地下厂房锚杆和锚索布置见图2。

图1 ①～③机轴线剖面监测点布置示意

监测结果表明，有支护开挖，在断层影响区域及开挖区断层出露位置变形相对较大，洞室边墙围岩最大水平位移为5.98 cm，该变形最大值均发生在主变室受F48和F40切割的岩体部位。除此之外，围岩变形一般小于4.0 cm。从变形角度看，自重应力场作用下有支护开挖洞室围岩的变形量基本处于可控范围内。洞室周边围岩出现了第三主拉应力，最大值达0.95 MPa，破坏区域主要集中在断层出露岩体中。洞室围岩的塑性区分布主要集中在主厂房上游边墙和下游边墙中。

综上，海蓄电站地下洞室围岩在有支护情况下整体安全稳定性较好，地下厂房及主变洞初拟系统支护参数合理。断层影响区域等局部安全稳定性较差，需要结合施工开挖揭露实际地质情况对其进行进一步处理。

3.2 围岩局部稳定性分析

根据主厂房第Ⅰ层开挖地质情况，主要揭露有4条断层及2组节理，性状描述如下。

3.2.1 断层

(1)fc1。出露于主厂房桩号CZ0+089.5～CZ0+095.0范围，产状N80°E、SE∠80°～85°，断层面平直，破碎带宽度约1～3 cm，破碎带的物质成分为灰白色泥、岩石碎片及岩屑，断层影响带宽约10～20 cm，为正断层性质，断层带未见滴水，但断层泥较湿润。

(2)f42。出露于主厂房桩号CZ0+095附近，产状N20°W、NE∠87°，断层面较平直，破碎带宽度约2～10 cm，影响带宽50～150 cm，破碎带由岩屑、断层泥组成，胶结差。

(3)F48。出露于主厂房桩号CZ0+002～CZ0+030、高程170～217 m范围，沿顶拱至基础底部环形斜切整个厂房，产状N86°E、SE∠60°～75°，断面平直光滑，破碎带宽10～65 cm，充填岩石碎块碎屑夹灰白色泥，胶结较差，影响破碎带0～300 cm，在厂房上下游墙局部产生掉块，断层面局部见倾向擦痕，示逆断层性质，错距不明，属Ⅲ级结构面。

(4)f22。出露于主厂房桩号CZ0+005～CZ0-020范围，产状N15°W、NE∠80°，断层破碎带宽1～10 cm，影响带宽小于0.5 m，破碎带由岩屑、断层泥组成，胶结差。

3.2.2 节理

(1)J1。分布于整个主厂房区，为主厂房控制性节理，产状N30°W/NE∠80°，节理面平直，微张，张开宽度约0.1～0.2 cm，主要充填岩屑，局部有灰白色的泥。

(2)J2。分布于整个主厂房区，为顺层向节理，产状N60°E/SE∠30°～45°，节理面平直，近闭合，附少量岩屑，受纹理控制。

3.2.3 块体稳定分析

运用Unwedge3.0和Dips程序，结合主厂房第Ⅰ层开挖成形地质素描图，将特定块体(断层与断层组合)、半特定块体(断层与节理组合)及随机块体(节理与节理组合)进行系统分析，分析其可能出现的位置，对各类块体按主厂房顶拱及边墙进行筛分，控制结构面组合的随机性。分析成果如下：

(1) 主厂房位置基本不存在特定的大规模不稳定块体，多为沿断层出露位置的半特定块体及节理出露处的随机块体。

(2)fc1断层沿线的半特定块体主要位于上游壁拱角及边墙；F48断层沿线的半特定块体主要位于上下游拱角及上下游边墙；f22及f42断层沿线的半特定块体主要位于上下游边墙。J1、J2节理形成的随机块体主要位于下游边墙及上游拱角，J2节理自身受纹理影响形成的掉块则随机出现。

(3)主厂房顶拱及边墙多为小规模的不稳定块体，局部块体较大，为半特定或随机块体。根据主厂房第Ⅰ层开挖成形边墙节理的出露情况复核，用5 m/7 m长系统锚杆即可锁定块体，局部不稳定块体部位锚杆长度采用9 m。

4 施工处理措施

在整个开挖施工过程中，为保证施工安全及施工质量，重视关键部位的施工程序，如主厂房顶拱(Ⅰ层)开挖，采用“先导洞后扩挖”的施工方法，即先开挖厂房中导洞，顶拱预留2 m保护层，顶拱扩挖支护完成后，上下游侧错距30 m扩挖跟进。利用厂房探硐及上层排水廊道推测出主厂房可能出露的结构面产状，及时调整支护措施。

充分利用监测手段，采用“设计、施工、监测、修正设计”的原则进行支护设计。随时监测围岩的变形量、变形速率、锚杆应力等监测数据，以判别围岩的稳定性，并针对具体情况采取有效支护措施[2]。

(1)交叉洞口的加强支护。与主厂房洞室交岔部位较多，根据开挖面与结构面组合，易形成潜在的不稳定块体，若不及时支护，将致使塑性圈及松动圈范围不断加大，进而造成松动圈内岩块的失稳，需采取加强支护措施。在交叉洞室起始段开挖轮廓线以外40～60 cm范围，按1 m间距，设1～2排锁口锚杆后，再采用光面爆破进行开挖，同时控制光面爆破技术。

(2)断层处理。断层影响区域等局部安全稳定性较差，采用短进尺、弱爆破、多循环、勤支护的施工措施，加强施工过程中的排水，并将断层内和节理密集带内淤泥、破碎岩块等清除干净，清除一定深度后，喷混凝土回填，并加密钢筋网，采用长砂浆锚杆将断层上下盘岩体锚固在一起。

(3)不稳定块体处理。根据主厂房块体稳定分析成果，采用砂浆锚杆对主厂房顶部和下游边墙部位小规模的不稳定块体进行有针对性的随机锚固处理。

经过以上分析及处理结果，主厂房洞室围岩支护参数为：

主厂房顶拱。锚杆Ф25@1.5 m×1.5 m、L=5 m/ 7 m相间布置，拱脚部位3排涨壳式预应力中空锚杆L=9 m、T=100 kN；桩号CZ0+025～CZ0+037段(F48断层出露部位)系统锚杆间排距调整为1.2 m；副厂房段锚杆Ф25、L=7 m与Ф28、L=9 m按@1.5 m×1.5 m相间布置。挂网喷C25混凝土，厚150 mm。

主厂房上游边墙。锚杆Ф25@1.5 m×1.5 m、L=5 m/7 m相间布置；桩号CZ0±000～CZ0-028段、高程213.9 m及拱座部位预应力端锚索T=2 000 kN、L=25 m、@4.5 m；岩锚梁上下方各2排涨壳式预应力中空锚杆L=9 m、T=100 kN。挂网喷C25混凝土，厚150 mm。

主厂房下游边墙。锚杆Ф25/28@1.5 m×1.5 m、L=7 m/9 m相间布置；岩锚梁上下方各2排涨壳式预应力中空锚杆L=9 m、T=100 kN。挂网喷C25混凝土，厚150 mm。主厂房与主变洞预应力对穿锚索2排(高程213.90 m及岩锚梁以下)，T=2 000 kN、L=40 m、@4.5 m×4.5 m。

主厂房发电机层以下。锚杆Ф25@1.5 m×1.5 m、L=5 m。挂网喷C25混凝土，厚150 mm。

主厂房左右端墙。锚杆Ф25@1.5 m×1.5 m、L=5 m/7 m相间布置。挂网喷C25混凝土，厚150 mm。

地下厂房于2014年4月1日开始开挖，2015年11月20日开挖完成，实际总体施工进度近20个月。开挖完成时，顶拱最大位移为2.3 mm，上游边墙最大位移为26.26 mm，下游边墙最大位移为3.04 mm，锚杆应力计最大值为309.91 MPa，测值变化受地下厂房分层开挖爆破影响较明显，变形速率小幅增长；开挖爆破面远离后，数据变化趋势一般会有收敛，表层位移一般较深层位移大，数值变形较大处岩体被F48和f22断层分割，锚杆应力计月度变化速率最大为15.38 MPa/月，测值变化较大部位有F48断层通过，目前各测值平稳，说明围岩变形已收敛，地下厂房洞室围岩变形无异常。

5 结 语

海蓄电站地下厂房工程地质条件复杂，岩体节理发育，洞室跨度大，边墙高。通过大量的研究及分析对比，采取合理的支护参数和形式是保证地下厂房安全、稳定的前提。在开挖过程中，充分利用监测手段，随时监测围岩的变形量、变形速率、锚杆应力等，判别围岩的稳定性，及时修正设计支护参数，是保证施工安全和评价围岩稳定的重要措施。海蓄电站地下厂房支护设计，可为类似工程提供参考。