基于工程类比的高地应力地下洞室高边墙围岩支护强度评价

2021-11-09董家兴赵毅然徐光黎杨润学付俊峰

长江科学院院报 2021年11期

董家兴，赵毅然，徐光黎，杨润学，李庆，付俊峰

(1.昆明理工大学电力工程学院，昆明 650500； 2.中国地质大学工程学院，武汉 430074)

1 研究背景

我国水力资源主要集中在云、贵、川、藏等西南地区。近些年，已有很多大型水电工程在以上地区成功修建，推动了我国水工岩石力学和水利工程地质力学的快速发展，成功实现了水电大国到水电强国的跨越。如大渡河流域的瀑布沟、大岗山、猴子岩、黄金坪、长河坝等水电站，雅砻江流域的锦屏Ⅰ级、锦屏Ⅱ级、官地、二滩等水电站，金沙江流域的溪洛渡、向家坝、白鹤滩等水电站。由于地形限制及考虑抗震等因素，以上提及的水电站均采用地下厂房结构形式，“大跨度、高边墙、群洞室”是它们具有的共性特点，而“复杂岩体结构、极高或高地应力”在不同的工程中表现不一。水电站地下洞室施工过程中，均出现不同程度的围岩变形破坏地质灾害，如：大岗山水电站主厂房施工过程中出现的顶拱辉绿岩脉塌方，处置时间长达18个月之久[1-2]。猴子岩水电站地下厂房在第Ⅴ层开挖完成后边墙局部变形达100 mm，岩壁吊车梁上部边墙出现喷混凝土开裂、锚头内陷、岩体开裂等围岩变形破坏现象导致停工，耽误工期2个多月[3-4]。

围岩变形破坏致灾因素众多，设计和施工人员对高地应力条件下围岩工程地质条件及围岩开挖响应的认识不够深入是一个关键原因。大规模地下工程的建设使得我国在低-中等应力条件下地下洞室围岩支护设计方面积累了大量可供类比和参考的工程素材，如张勇等[5]通过原位监测数据分析及数值仿真，总结了官地水电站地下厂房高应力围岩破坏特征，提出了针对性和具体的洞室群布置设计、开挖支护设计和施工对策；许强等[6]、程丽娟等[7]通过室内试验、理论分析、数值模拟和现场原位监测等方法研究了锦屏Ⅰ级水电站地下厂房高地应力围岩变形破坏特点，表明岩体中的软弱结构面和岩体时效变形对工程影响较大，并为动态支护设计提供依据；Feng等[8]采用摄影测量和数字图像方法，开展基于岩石剥落方向和深度等特征的定量研究，分析了地下工程隧道围岩剥落破坏机理，为存在高剥落风险的地下工程开挖支护提供建议；郑进修等[9]通过收集国内20余个水电站大型地下洞室围岩支护设计资料，采用数据统计、拟合分析的方法得出了地应力、洞室跨度等参数与围岩支护强度的经验公式，并在此基础上提出了支护指数的概念和支护设计强度合理性评价方法。Xiao等[10]基于雅砻江两河口水电站地下厂房赋存地质条件，结合微震监测数据，分析了地下厂房开挖损伤区，实现了地下厂房围岩变形预警；Li等[11]通过建立考虑围岩损伤区的三维介质数值模拟，预测了两河口水电站地下洞室开挖过程中结构控制型位移，为洞室开挖支护措施设计提供了理论依据。

综上所述，对于各类水电工程地下洞室围岩支护设计研究，主要通过数据统计分析、数值模拟和工程经验类比等方式进行。由于地质条件的复杂性，在诸如猴子岩、锦屏Ⅰ级等工程的围岩支护设计施工中可供类比和提供借鉴的工程几乎为空白。因此，研究高地应力条件下猴子岩水电站地下厂房高边墙围岩变形破坏对支护强度的影响，对于我国西部高地应力地区水电工程建设具有较好的参考价值。

本文首先通过分析多点位移计、锚杆应力计、锚索应力计的原位测试数据，归纳了猴子岩水电站地下厂房围岩位移与应力特性。其次，采用工程类比方法，对猴子岩地下厂房高边墙支护强度进行评价。最后，结合动态设计所采取的补强支护措施和补强支护后围岩变形及支护强度计算结果，证明围岩补强支护设计的有效性。

2 工程概况

猴子岩水电站位于四川省康定县孔玉乡境内，是大渡河流域开发的第10个梯级电站，其最大坝高223.5 m，为目前国内第二高面板堆石坝。电站总装机容量1 700 MW，采用地下厂房的结构形式，地下洞室群主要由主副厂房、母线洞、主变室、尾水调压室和尾水隧洞等组成。主厂房洞轴线方向为N61°W，厂房洞长约219.5 m，主变室洞总长约139 m，尾调室洞总长约140.5 m，三大洞室平行布置。

2.1 工程地质条件

猴子岩水电站地下厂房围岩主要为微风化-新鲜的泥盆系下统白云质灰岩和变质灰岩，围岩类别以Ⅲ类为主。地质构造方面，主要发育次级小断层、挤压破碎带和节理裂隙。其中，对地下厂房围岩稳定性影响较大的次级小断层有f1-1-3、f1-4-6、fm1、fm2、fm3、fm4等，大多位于主厂房下游侧；挤压破碎带以层间挤压带为主，由碎裂岩、碎块岩和少量碎粉岩等填充，带宽0.01～0.1 m，开挖揭露的挤压破碎带g1-4-18发育规模较大，影响程度广；节理裂隙以层面为主，多为刚性结构面，裂面粗糙，闭合无填充。岩体完整性较好，岩层总体产状为N50°～70°E/NW∠25°～50°，图1为猴子岩水电站主厂房1 715 m高程典型工程地质平切图。

图1 猴子岩水电站主厂房典型工程地质平切图(1 715 m高程)Fig.1 Horizontal slice of typical engineering geological plot of main powerhouse of Houziyan hydropower project at elevation 1 715 m

地应力测试结果表明，地下厂房区最大主应力σ1为36.43 MPa，第二主应力σ2为29.82 MPa；围岩饱和单轴抗压强度为65～100 MPa，岩石强度应力比为2～4，地下厂房处于高地应力环境中。由厂房设计布局可知，σ1方向与厂房轴线小角度(14°～20°)相交，有利于围岩稳定，但σ2地应力较高，且σ2方向几乎垂直于厂房边墙，围岩开挖卸荷后，地下厂房边墙围岩稳定性问题变得尤为突出。

2.2 施工期围岩变形破坏现象

由于地下厂房区赋存高地应力和较低的围岩强度应力比，加之局部洞段受岩体结构的影响，在施工过程中，出现了围岩大变形及破坏现象。其中，宏观变形破坏现象主要有喷混凝土开裂、岩锚梁伸缩缝错位、锚墩内陷、围岩开裂(图2)等。围岩变形监测情况将在下文进行介绍。

图2 猴子岩水电站厂房围岩典型破坏现象Fig.2 Typical failures of surrounding rock of main powerhouse in Houziyan hydropower project

3 原位监测及围岩变形特性

猴子岩电站主厂房共分9层开挖，开挖高度为68.7 m，开挖时间自2011年11月至2014年5月。期间完成的原位监测和检测有声波测试、钻孔电视、多点位移计监测、锚杆和锚索应力监测以及微震监测等。开挖步骤和典型监测布置见图3。

图3 主厂房分层开挖步骤及典型监测布置(4-4剖面)Fig.3 Sketch of excavation steps and layout of typical monitoring equipment for main powerhouse (section 4-4)

3.1 围岩表面位移绝对值大、变形深度大

据多点位移计监测资料统计分析，猴子岩地下厂房上游边墙位移为24.51～108.03 mm，位移分布整体以3#、4#机组为界，向安装间方向(靠山侧)测点位移平均值为47.58 mm，向副厂房方向(靠河侧)测点位移平均值为82.12 mm，明显大于靠山侧的位移；下游边墙位移分布范围为1.97～162.01 mm，其中在2#机组处测点位移>50 mm。最大位移162.01 mm出现在厂横0+51.3 m(2#机组)高程1 706.5 m处。随高程的降低，1#机组、3#机组、4#机组的变形整体上呈现减小趋势，高程1 721.2 m处位移最大；2#机组以及1#与2#机组之间处的变形整体上呈现增大趋势，高程1 706.5 m左右位移最大。总体上，猴子岩水电站地下厂房围岩表面测点位移<30 mm的占64.1%，位移≥50 mm的占20.9%，与其他大型地下厂房监测数据相比，整体位移量级偏大。主厂房整体监测布置方案见图4。

图4 主厂房整体监测布置方案Fig.4 Overall layout scheme of monitoring for main powerhouse

图5 多点位移计典型绝对位移曲线Fig.5 Typical displacement-time curves of multi-point

3.2 锚杆和锚索的应力负荷水平超限

据统计，猴子岩地下三大洞室安装的围岩监测锚杆和锚索都存在应力超仪器量程或是超设计值问题。至主厂房第Ⅵ层开挖支护完成，厂房应力超量程的锚杆应力计有5.84%，>200 MPa的有15.33%，锚索荷载超设计吨位的有21.95%，超锁定值30%的有26.83%。陈仲先等[12]认为支护期间添加的锚杆和锚索的应力增加说明了新增锚杆和锚索对围岩变形和稳定性起着重要作用，但猴子岩围岩支护锚杆和锚索的应力负荷水平已经有相当比例超过极限吨位，如果任其发展，可能会出现破坏性的工程灾害，严重影响工程进度和造成巨大的工程经济损失。

3.3 围岩破坏现象分析

地下厂房围岩变形破坏是复杂的二次应力应变场的自适应调整过程，是地质赋存条件和人为干预等因素共同作用的结果，其中工程地质条件是影响厂房围岩变形破坏的最根本因素。

猴子岩地下厂房处于高地应力地质环境中，张罗彬等[13]将猴子岩地下洞室开挖后的边墙围岩破坏形式分为张拉作用和压剪作用，随着施工推进，围岩破坏不断加强，微裂缝发展成宏观裂缝，最终岩块被贯通后脱落；李志鹏等[14]通过传统的应力莫尔圆，分析在猴子岩地下洞室开挖后，应力莫尔圆向强度曲线趋近明显，说明高边墙围岩在单轴应力状态下更容易破坏。猴子岩地下厂房设计布局[14]决定了第一主应力σ1方向与地下厂房轴线小角度相交，布局设计遵循了高地应力地下厂房边墙安全设计标准。然而，在第二主应力σ2量值偏高且方向几乎与边墙垂直的情况下，地下厂房高边墙围岩稳定性问题尤为突出。因此，从工程地质条件分析，猴子岩地下厂房出现的变形破坏现象主要是高第二主应力σ2和较低的岩体强度等综合因素作用下的结果。施工过程中应该采取包括新增锚杆支护和锚索支护[15]等有效补强支护措施。

4 监测数据工程类比分析

在高第二主应力条件下，猴子岩厂房围岩破坏程度罕见，围岩支护设计存在较多困难。国内外大型地下洞室群工程建设中，与猴子岩地下厂房围岩的变形破坏特点有较多相似之处的地下厂房工程，目前仅有锦屏Ⅰ级[15-19]，两地下厂房简介见表1。

表1 猴子岩和锦屏Ⅰ级地下厂房简介Table 1 Brief introduction of Houziyan and Jinping Ⅰ-stage underground powerhouses

总体上，猴子岩水电站地下厂房的开挖跨度、围岩类别、地应力等因素和锦屏Ⅰ级地下厂房相当，可比性强，因此把锦屏Ⅰ级地下厂房作为评价猴子岩围岩补强支护效果类比对象是合适可行的。以下将猴子岩和锦屏Ⅰ级地下厂房同时期围岩变形和支护监测数据[17]作对比分析，为两工程的支护措施及效果评价提供基础数据。

4.1 围岩变形监测资料对比

图6为猴子岩与锦屏Ⅰ级地下厂房围岩位移监测资料对比。由图6可知：猴子岩地下厂房围岩变形整体上比同期锦屏Ⅰ级的大。猴子岩围岩变形主要集中于中低值(10～50 mm)区间，而锦屏Ⅰ级多分布在低值(<10 mm)区间。锦屏Ⅰ级上游边墙岩锚梁以上多数测点位移<10 mm，岩锚梁部位及以下多数<25 mm，岩锚梁部位平均位移18.25 mm，下游边墙多数测点位移>30 mm。整体上，猴子岩地下厂房上游边墙变形量比锦屏Ⅰ级大，下游边墙比锦屏Ⅰ级同期小。

图6 地下厂房表面位移统计对比Fig.6 Statistic comparison of surface displacement between Houziyan and Jinping Ⅰ-stage underground powerhouses

4.2 锚杆和锚索应力监测资料对比

根据统计对比，猴子岩与锦屏Ⅰ级地下厂房的锚杆应力水平整体相当。具体地，猴子岩和锦屏Ⅰ级锚杆应力水平在300 MPa以下的测点占比分别为85.4%和81.8%，相差3.6%；超量程的锚杆，猴子岩和锦屏Ⅰ级占比分别为14.6%和18.18%，相差-3.58%，整体水平相当。从岩锚梁部位锚杆来看，地下厂房分别有60%和48%的锚杆应力>200 MPa，整体上猴子岩岩锚梁锚杆应力水平均高于锦屏Ⅰ级。图7是两工程地下厂房锚杆应力和岩锚梁部位锚杆应力统计。

图7 地下厂房和岩锚梁部位锚杆应力统计对比Fig.7 Statistic comparison of anchor stress and rock anchor beam stress between Houziyan and Jinping Ⅰ-stage underground powerhouses

图8 锚索测力计荷载损失值统计对比Fig.8 Statistic comparison of anchor rope stress loss

锚索锚固力方面(图8)，猴子岩和锦屏Ⅰ级超锁定绝对值30%以内分别占测点数的26.83%和28.93%，二者水平相当；而在超设计吨位上，猴子岩占21.95%，锦屏Ⅰ级占38.55%，后者更大，但需要注意的是，猴子岩的锚索吨位普遍为2 500 kN或2 000 kN、4 m间排距(厂房下游边墙内插到2 m间排距)，而锦屏的锚索吨位一般为2 000 kN或1 750 kN、3～4 m间排距，比猴子岩的锚索吨位小。这说明猴子岩地下厂房锚索的实际荷载值大于锦屏，也说明在猴子岩地下厂房系统中采用大吨位锚索是必要的。

5 支护强度评价及补强支护设计

5.1 围岩支护强度评价

支护强度是衡量支护能力最重要的指标，其大小取决于支护材料和支护密度。统计得知，猴子岩和锦屏Ⅰ级地下厂房边墙上有普通砂浆锚杆、预应力锚杆和预应力锚索等主要支护措施。郑进修等[9]给出猴子岩和锦屏Ⅰ级地下厂房边墙上系统锚杆和锚索支护参数，式(1)—式(3)为计算支护强度公式[9]。

SC=SCb+SCp,

(1)

(2)

(3)

式中：SCb、SCp、SC分别是锚杆支护强度、锚索支护强度和总支护强度；η是群锚效应系数；τs是锚杆的抗剪强度；S是锚杆截面积；a、b分别是锚杆和锚索间距；N是锚索施加的预应力；f是加固前后岩体摩擦系数；φ是锚前围岩的内摩擦角。文献[9]并没有详细统计分析预应力锚杆和预应力锚索的支护参数和支护强度。猴子岩、锦屏Ⅰ级2个地下厂房普通砂浆锚杆间距相差不大，因此，2个工程边墙上的普通砂浆锚杆对支护强度评价影响不大。本文主要考虑预应力锚杆和预应力锚索的支护强度。

假设单位面积预应力支护强度为

(4)

式中：SI为单位面积预应力支护强度(MPa)；ap为单根锚杆预应力(MN)；n为预应力锚杆的数量；Sap为预应力锚杆支护面积(m2)；AP为单根锚索预应力(MN)；N为预应力锚索的数量；SAP为预应力锚索支护面积(m2)。

根据支护设计资料，通过计算，猴子岩和锦屏Ⅰ级地下厂房Ⅲ1类围岩单位面积的支护强度对比如表2所示。由表2可知：猴子岩地下厂房的上游边墙支护强度低于锦屏Ⅰ级，下游边墙的支护强度高于锦屏Ⅰ级，总支护强度要大于锦屏Ⅰ级，其中两地下厂房总支护强度评价结果与表3所示的评价结果一致。从工程类比的角度来讲，猴子岩地下厂房下游边墙的支护强度可以满足要求。因此，本文主要针对猴子岩上游边墙进行类比分析，为补强支护设计提供依据。

表2 Ⅲ1围岩单位面积预应力支护强度对比Table 2 Comparison of prestressed support strength per unit area of Ⅲ1 surrounding rock between Houziyan and Jinping I-stage powerhouses

表3 文献[9]计算的支护强度Table 3 Supporting strengths calculated by Zheng et al[9]

表4为猴子岩上游边墙与锦屏Ⅰ级下游边墙位移监测数据对比。由表4可知，猴子岩厂房上游边墙的变形大于锦屏Ⅰ级厂房上游边墙。根据相关研究成果，锦屏Ⅰ级地下厂房存在比较突出的偏压问题，上游边墙的支护强度相对于下游边墙来说偏保守。为此，从工程类比的角度看，将锦屏Ⅰ级下游边墙与猴子岩上游边墙比更有意义。

表4 猴子岩上游边墙与锦屏Ⅰ级下游边墙位移对比Table 4 Comparison of displacement between Houziyan’s upstream sidewalls and Jinping Ⅰ-stage’s downstream sidewalls

5.2 补强支护设计实例

根据上文分析，猴子岩地下厂房上游边墙由于受高地应力影响，特别是高第二主应力以及其它因素的综合影响，出现变形偏大、破坏程度深以及锚索应力超限等情况，需要对边墙局部进行加强。主要措施为：①上游边墙(厂横)0+082.10 m监测断面附近，从岩锚梁部位至1 694.0 m高程，监测数据均出现异常，变形、支护受力值和增量均较大。需对该部位进行加强，岩锚梁以下至1 694.0 m新增锚索加固(图9)；②由于岩锚梁附近岩体松弛严重，高程1 712 m处的锚索处于普遍高应力状态，考虑岩锚梁的长期稳定，对该部位进行灌浆，改善岩体质量；③在拱座与岩锚梁之间的上部边墙，增加一排系统锚索(图9)。

图9 主厂房上游边墙锚索局部加固措施Fig.9 Measures of local reinforcement for anchor cables of the upstream sidewalls in main powerhouse

新增加固锚索总工程量统计见表5所示。利用式(4)计算可知，仅补强锚索的总预应力支护强度就达到0.868 MPa，结果见表6。

表5 主厂房上游边墙锚索局部加固措施统计Table 5 Statistics of local reinforcement measures for anchor cables of upstream sidewalls in main powerhouse

表6 新增锚索单位面积预应力支护强度结果Table 6 Results of prestressed support strength per unit area of newly added anchor cable

补强支护洞段支护强度在补强后明显增加，补强支护实施后，该洞段支护强度大于猴子岩下游边墙和锦屏Ⅰ级下游边墙的支护强度。因此，从工程类比的角度而言，支护措施能满足高边墙围岩稳定性要求。由于补强支护措施的实施，后续开挖过程中，除开挖影响外，围岩未出现大变形，且围岩变形最终实现收敛[20]，间接证明了补强支护措施的有效性。