蟠龙抽水蓄能电站地下厂房顶拱软岩分布与支护影响分析

王 槐，苏 超，张 峰，熊治富

(1.重庆蟠龙抽水蓄能电站有限公司，重庆401452；2.河海大学水利水电学院，江苏南京210098)

0 引 言

近年来，我国大型水电站多采用地下式厂房，厂房的开挖破坏了岩体原有的应力平衡状态，导致围岩应力重分布，随着地下厂房不断开挖，应力重分布区域逐渐增大，最终使得围岩承受的荷载过大而失稳破坏。为了防止洞室失稳，要对洞室进行支护，以提高围岩的整体性，限制围岩的变形。国内外学者做了大量研究工作来优化支护设计[1]，杨映等[2]结合思林水电站地下厂房支护施工实际，对地下工程常用的几种支护形式如喷混凝土、钢筋网、锚杆、锚索等进行了分析讨论；谢思思等[3]针对漫湾水电站二期工程地下厂房围岩稳定性总体较差的情况，设计联合支护方案，并确定基本支护参数，进行了大量的设计优化调整工作；胡林江[4]针对溧阳抽水蓄能电站地下厂房的工程地质条件，对地下厂房设计支护参数进行分析，采用联合支护形式，对F54断层和开挖过程中情况异常部位采取了有针对性的加固措施；彭薇薇等[5]针对大发水电站在顶拱开挖后揭示出f1断层及其他四组裂隙，地质条件较可研阶段发生了较大变化的情况，对支护方案进行了重新研究，确定采用全断面钢筋混凝土衬砌的支护形式；胡正凯等[6]针对句容抽水蓄能电站地下厂房洞室群复杂的工程地质条件拟定3种不同的支护方案，运用3DEC建立数值分析模型，对不同支护方案进行围岩稳定分析，最终确定适合该地下厂房洞室群的合理支护措施。本文针对蟠龙抽水蓄能电站地下厂房顶拱存在有软岩层这一具体问题，针对若实际地质情况与勘测情况不符时，即软岩厚度增加或可能出现的硬岩贯穿裂隙情况进行研究，分析有支护条件下的顶拱围岩稳定性和支护作用效果。

1 工程地质条件

重庆蟠龙抽水蓄能电站位于重庆市綦江区中峰镇境内，电站装机容量 1 200 MW(4× 300 MW)，属一等大(1)型工程，主要永久性建筑物按1 级建筑物设计。地下洞室区穿越夹关组(K2j)和蓬莱镇组(J3p)两组地层，夹关组(K2j)地层为紫红色厚～巨厚层砾岩、砂岩、粉砂岩及泥岩，其中砾岩、砂岩一般占76.4%，粉砂岩、泥质粉砂岩占14.7%，泥岩、粉砂质泥岩占8.9%；蓬莱镇组(J3p)地层为紫灰至绿色砂岩、粉砂岩、泥岩等，其中砂岩占32.5%，粉砂岩、泥质粉砂岩占25.9%，泥岩、粉砂质泥岩占41.6%；由岩性组合情况可知，输水系统洞室以砂岩为主，约占75%。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

模拟蟠龙抽水蓄能电站地下洞室群实际洞体结构(全部机组段)和厂区实际地形及地质条件(包括各类结构面等)，建立如图1所示的三维有限元计算模型。模型原点取在1号机组中心，原点高程为451.9 m。主厂房轴线方向为X轴，指向副厂房方向为正，垂直于主厂房轴线方向为Y轴，指向主变室方向为正，竖直方向为Z轴，向上为正。模型计算范围：厂房轴线方向取669 m，左侧离主厂房左侧墙体250 m，右侧离主厂房右侧墙体250 m，其中机组段共169 m；上游离主厂房上游墙250 m，下游离主变室下游墙200 m；垂直方向向下为主厂房底板以下200 m，向上为主厂房顶拱至地表面。计算网格节点数为102 542，单元数为594 312。计算采用Mohr-coulomb屈服准则。数值计算中所选用的各类岩体的材料参数如表1所示。

图1 三维有限元模型

围岩类别ρ/kg·m-3E/GPaνc/MPaφ/(°)III类围岩(594 m高程以上)2 5507.00.2300.90045.00III类围岩(594 m高程以下)2 5507.50.2300.95046.40IV类软岩2 5004.50.2600.35033.00IV～V类软岩2 4603.90.2680.30530.96

2.2 关键点选取

为了简便直观的说明主厂房顶拱在不同工况下的位移变化特征，选取了具有代表性的关键点，关键点的位置见图2。

图2 洞周关键点示意(单位：m)

2.3 支护参数

设计支护参数：衬砌，喷钢纤维混凝土厚0.2 m；锚杆为预应力锚杆Φ32/28 mm@1.125 m×1.5 m，L=9 m/6 m菱形布置，T=100 kN；锚索数据为L=28～35 m，8排，间距4.5 m，T=2 000 kN/1 500 kN。图3为锚杆、锚索的平面布置示意。

图3 锚杆、锚索平面示意

2.4 计算工况

选取3种不同的地质条件，分别分析其稳定性以及支护效果。

(1)工况1在顶拱上部的软岩与主厂房顶拱之间距离5.0 m，软岩最薄处厚度0.8 m，贯穿整个模型。

(2)工况2在工况1基础上增加软岩厚度，软岩下部水平、距拱顶1.0 m。

(3)工况3在工况1基础上假设有1条1 m厚的软岩与厂房顶拱联通，软岩倾角为60°。

图4 无支护和设计支护情况下3号机组各工况断面洞周围岩塑性区分布

3 计算结果

表3为主厂房顶拱开挖结束后，无支护和设计支护下3号机组各工况断面洞周围岩关键点位移值，图4给出了各工况塑性区分布示意。从中可以看出：设计工况(工况1)下，无支护时拱顶向下收缩，拱座向外扩张；软岩、拱座和右侧拱肩均有塑性区发育。在支护作用下拱顶铅直向位移收缩值减小了7.13%，拱座水平位移扩张值增大；软岩和拱肩的塑性区发育程度降低。软岩加厚工况(工况2)下，顶拱以上软岩范围增大，软岩底部与拱顶的距离减小，因而塑性区范围显著变大，拱顶位移也大幅增加。在支护作用下，塑性区发育程度明显降低，拱顶位移值减小了21.22%。与工况1相比，支护效果显著增加，支护利用率大大提高。顶拱硬岩裂隙有联通工况(工况3)下，软岩下游部分和联通区域软岩均进入塑性状态，位移较工况1也有所增大。在支护作用下，软岩塑性区发育程度降低，并且两软岩的塑性区断开，拱顶位移值减小了10.63%。该地质条件下围岩稳定性弱于工况1，但远比工况2好，而支护利用率远低于工况2。支护能提高围岩的整体性，控制围岩变形，并能减小塑性区范围，降低塑性区的发育程度。围岩稳定性越差时，支护的利用率就越高，越能充分发挥其作用。

表3 各工况下3号机组断面洞周关键点位移值 mm

4 结 论

本文建立了蟠龙抽水蓄能电站地下厂房区域的三维有限元模型，分析了不同地质条件下主厂房顶拱的围岩稳定性和支护效果。结果表明：顶拱区域地质条件越差时，拱顶位移越大，塑性区发育程度也越大；在支护作用下，位移减小，塑性区发育程度降低，且能使一些危险的构造如块体等变得相对安全；围岩稳定性越差时，支护所能发挥的作用也越大。分析成果可为顶拱的支护设计提供参考依据。