拉哇水电站地下厂房围岩稳定分析

任少龙，郑林娜

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014；2.河海大学水利水电学院，江苏南京210098)

0 引 言

随着水电开发建设的大力发展及其技术的逐渐成熟，水电站地下厂房的规模逐渐变大，地下厂房的围岩稳定性影响着施工设计方案的成败，因此对地下厂房围岩稳定性进行分析成为水电站设计的关键问题[1-2]。国家水电建设逐步向西南地区转移，水电工程多处于高山峡谷之中，其地质地形情况复杂多样，围岩开挖后应力重分布容易产生变形，危及围岩稳定，因此研究不同条件下地下工程围岩变形和稳定性成为一项重要课题[3- 4]。樊启祥[5]等结合模拟分析和监测数据结果，分析了缓倾角岩层中地下厂房围岩变形控制及其围岩稳定性问题；聂卫平[2]等采用黏弹塑性有限元法对向家坝水电站地下厂房进行了围岩稳定分析；左双英[6]等采用FLAC3D软件模拟分析了高地应力区的水电站地下厂房分期开挖围岩稳定性问题。大型地下洞室群结构复杂，洞室之间互有影响，围岩稳定受洞室规模、开挖顺序和支护方式等多方面的影响。本文采用三维非线性有限元法，利用ABAQUS有限元软件，以拉哇水电站地下厂房为研究对象，评价施工开挖程序和围岩支护方式的可靠性及安全性，以及围岩中断层等结构面对围岩稳定的影响，旨在为工程开挖程序和支护方式提供一些有益结论。

1 工程概况

拉哇水电站位于金沙江上游川藏河段，是金沙江上游13级开发方案中的第8级水电站，上游与叶巴滩水电站衔接，下游为巴塘梯级。工程枢纽建筑物主要由挡水建筑物、泄水建筑物及右岸输水发电系统等组成。地下厂房布置在距右坝肩下游约200.00 m处右岸山体内，主厂房开挖尺寸为180.00 m×29.50 m×73.913 m(长×宽×高)，厂房内共安装4台500 MW机组，总装机容量为2 000 MW。厂内两台桥式起重机，岩壁吊车梁上、下开挖跨度分别为28.00、29.60 m。主变洞位于主厂房下游，与主厂房平行布置，两者间岩墙厚40.00 m，开挖尺寸178.00 m×19.80 m×20.90 m(长×宽×高)。

2 计算条件

拉哇水电站地下厂房厂区山体雄厚，岸坡陡峭，地表多为弱风化基岩陡壁。厂区洞室围岩以Ⅲ1～Ⅲ2类为主，主要为微风化至新鲜第3层角闪片岩、绿泥角闪片岩，属中等坚硬至坚硬岩石。岩层产状总体为N10°～60°W，SW∠30°～40°。洞室围岩主要特征参数见表1。实测厂区的地应力主要受地质构造应力影响，最大主应力平均值为11.8 MPa，主应力方位为N26.5°W～N26.8°W，侧压力系数为1.56～1.58，岩石强度应力比约为5.8，属中等偏低应力区。

表1 围岩主要特征参数

根据勘探平硐揭露，厂址区域强卸荷水平埋深约5 m，弱卸荷不明显，弱风化水平埋深约35 m，铅直埋深42 m。厂区共发育20条断层，其中：Ⅲ级结构面有6条，分别为F259、F263，F264及层间断层F513、F514、F515，其他14条为Ⅳ级结构面。地下厂房区域主要发育4组节理，见图1。

图1 节理等密度(上半球投影)

3 围岩稳定数值分析

3.1 计算模型

采用三维有限元建模，模拟拉哇水电站地下厂房洞室群实际洞体结构、厂区实际地形及地质条件。主要包括主厂房、主变室、1条主变运输洞、4条母线洞、1条进厂交通洞及4条尾水洞，以及对厂房区围岩稳定影响较大的F269、F513、F263、F264等4条断层。模型X轴为主厂房轴线方向，指向副厂房方向为正；Y轴为上、下游方向，指向下游尾水管为正；Z轴为铅直向，向上为正。以1号机组中心横剖面与厂房纵轴线在2 504 m高程处的交点为坐标原点。模型单元数为457 718，节点数为97 514，三维整体模型见图2，厂房区模型见图3。

图2 三维整体有限元模型

图3 地下厂房有限元模型

3.2 开挖方案顺序

根据已建工程经验，并参考同类项目，拟定拉哇地下厂房主要洞室开挖方案。地下厂房分9期进行开挖，地下洞室开挖顺序为：主厂房分Ⅰ～Ⅸ级对应1～9期开挖，主变室A、B在1期分别在1、2期开挖，母线洞M1、M2分别在4、5期进行开挖，进水管①在第7期进行开挖，尾水管②在第9期进行开挖。同时为了简便直观地说明地下厂房洞室群在分级开挖过程中的位移和应力变化特征，在主厂房和主变室中选取了具有代表性的关键点，具体开挖分级及关键点位置见图4。

图4 拉哇地下洞室群计算开挖分级示意(高程：m)

3.3 支护方案

以现行的锚喷支护技术为基础，采用直接工程类比法，拟定拉哇水电站主要洞室支护方案。洞室支护拟定采用锚喷支护方式，即喷钢纤维混凝土+系统锚杆+预应力锚索。

主厂房顶拱及母线层以上两侧侧墙喷钢纤维混凝土厚20 cm，系统锚杆采用Φ32/28@1.5 m×1.5 m，杆长9 m和6 m间隔布置，预应力锚索设计值为2 000 kN，长20～30 m，间排距4.5 m。母线层以下两侧侧墙喷钢纤维混凝土厚20 cm，系统锚杆采用Φ28@1.5 m×1.5 m，杆长6 m；主变洞顶拱和侧墙喷钢纤维混凝土厚15 cm，系统锚杆采用Φ32/28@1.5 m×1.5 m，杆长9 m和6 m间隔布置，预应力锚索设计值为2 000 kN，长20～30 m，在顶拱部位布置3排，上下游侧墙各布置2排，间排距4.5 m。

4 地下洞室群开挖过程中围岩稳定性分析

4.1 洞室围岩位移变化规律

3号机组处于断层交错的核心区，故取为代表性机组进行分析。洞室开挖后，围岩总体朝向开挖临空面变形，边墙部位变形较大，以水平变形为主，顶拱下沉，底板回弹。随着开挖高程降低，开挖扰动区范围逐渐增大，边墙及顶拱变形在9级开挖完成后累计至最大值。3号机组在支护和反演地应力场的情况下开挖过程洞周部分关键点位移值见图5，顶拱位移向上为正，侧墙位移向下游为正。3号机组位移等值线云图见图6。

图5 3号机组在开挖过程中洞周部分关键点位移值

图6 3号机组位移等值线云图(单位：m)

表2 3号机组9级及部分级数开挖后部分关键点主拉、主压应力情况 MPa

注：应力值拉为正，压为负．

由图5、6分析得：边墙最大位移发生在洞室腰部位置及洞室连接处。主厂房顶拱变形向下，最大下沉位移为25.49 mm；主厂房变形以水平收缩为主，上、下游墙最大水平位移分别为74.44、73.35 mm，均发生在F513断层与主厂房交汇区域，下游墙变形受断层影响较为明显；主变室顶拱变形向下，最大沉降位移为29.09 mm，发生在F263断层与主变室交汇处；主变室水平位移偏向主厂房方向，上游墙最大水平位移为3.20 mm，发生在F513断层与主变室上游墙交汇处，下游墙最大水平位移为35.95 mm，发生在F513断层与主变室下游墙交汇处，发生在下游墙中部，施工过程中应对断层影响区域加强监控，并采取加强支护措施。

4.2 洞室围岩应力变化规律

3号机组9级及部分级数开挖后主拉主压应力情况见表2，3号机组在支护情况下中剖面主应力等值线云图见图7。

图7 3号机组中剖面主应力等值线云图(单位：MPa)

从表2和图7分析可得：地下厂房开挖后，洞周径向应力释放，切向应力增加。随着与洞壁距离增大，开挖对围岩应力状态的影响越来越小。当开挖临近关键点时，受开挖扰动影响，关键点部位的应力增加明显，随着开挖的进行，下部开挖对上部区域的应力扰动逐渐减弱。开挖过程中，主厂房及主变室顶拱及其边墙最大拉应力达1.06 MPa，发生在第7级开挖结束时主厂房上游墙2 542.0 m高程处，在9级开挖结束拉应力也达0.97 MPa，最大主压应力达23.14 MPa，发生在第9级开挖结束时主厂房顶拱位置。在主厂房顶拱，在洞室拐角、洞室连接处及交叉部存在应力集中现象。在第8级开挖结束时，在2 524.75 m高程、主厂房下游侧墙出现了较大的压应力集中现象，主压应力量值达22.90 MPa，在整个开挖过程中主压应力没有超过岩石的抗压强度，均满足岩体的强度参数要求。

4.3 洞周围岩塑性区变化规律

3号机组在支护情况下中剖面塑性区分布见图8。随着整个洞室群分布开挖的进行，边墙不断增高，在主厂房、主变室、母线洞的顶拱、边墙及洞室交叉部位出现了不同范围的塑性区，加剧了塑性区破坏范围。开挖结束后受F269断层的影响，主厂房上游墙与其相交的部位塑性区的最大延伸深度达7.0 m，主厂房下游墙与其相交的部位塑性区深度在6.0 m左右。主厂房底部受F263断层影响，出现深度为6.0 m以内的塑性区。主变室顶拱受F513断层影响，塑性区深度在5.0 m以内。

图8 3号机组中剖面塑性区分布

5 结 论

根据拉哇地下厂房洞室三维稳定分析可得：拉哇水电站主要洞室围岩变形、应力、塑性区最大值均出现在断层与边墙及顶拱相交部位。围岩变形趋势为顶拱下沉，边墙向内变形，主厂房最大水平位移达74.44 mm，主变室最大水平位移达35.95 mm。开挖过程中最大主拉应力达1.06 MPa，最大主压应力达23.14 MPa，均满足岩体的强度参数要求。在主厂房、主变室及洞室交叉等部位出现了不同范围的塑性区，相邻洞室间没有出现贯通塑性区，塑性区范围在锚索及锚杆的设计长度控制范围之内。主厂房顶拱、边墙及洞室交叉部分区域稳定性相对较低，在实际施工过程中应加强监控，并根据监测结果适当调整支护方案。