赞比亚下凯富峡水电站大型调压井围岩支护参数优化研究

2022-02-16刘有全张利平靳俊杰石广斌

西北水电 2022年6期

刘有全，张利平，靳俊杰，石广斌

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2.中国电建集团水电工程十一局有限公司，郑州 450001;3.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，西安 710048)

0 前言

水电站调压井在水电站引水发电系统中起着举足轻重的作用。近年来，随着国内外水电资源的开发，大直径异形调压井结构的应用也越来越多，影响围岩稳定性的因素愈加多样复杂，主要表现在岩性物理力学特性、岩体结构面、初始地应力、地下水等。因此，需要采用弹塑性有限元和关键块体理论研究围岩在支护情况下的整体与局部稳定情况[1-6]。调压井开挖过程三维弹塑性有限元计算分析可以得出调压开挖过程围岩塑性区和变形分布特征，该特征可为围岩系统支护参数确定提供科学依据。关键块体理论可计算出在喷锚系统支护下块体稳定安全系数，可为系统锚杆入岩深度和间排距、锚杆直径以及喷混凝土厚度的调整，提供一定量化依据。

赞比亚下凯富峡水电站调压井为露天开敞式，开挖深度为133.5 m，最大开挖直径为50.8 m，局部悬壁开挖深度为7.3 m，规模位于国内外同类工程前列。在调压井开挖过程中，围岩稳定和施工安全问题比较突出，因此维护围岩稳定是一个至关重要的安全、技术问题。本文通过规范法和工程类比法，拟定大型调压井围岩系统支护参数，应用三维弹塑性有限元和关键块体理论对围岩系统支护锚杆长度进行优化分析，并结合类似工程比较，提出围岩支护优化措施，为工程设计提供支撑。

1 工程概况

1.1 工程地质基本条件

本工程调压井位于山梁部位，主要岩性为杂岩系石英长石云母片麻岩和黑云母片麻岩。调压井高程570.00 m以上井壁稳定性差，为Ⅳ类围岩；高程506.00～570.00 m段井壁稳定性一般，围岩为Ⅲ类；断层破碎带及裂隙密集带段为Ⅳ类围岩。地下水排泄条件较好，调压井整体位于地下水位以上。

调压井段岩体中裂隙主要分为3组，第①组产状为NW276°～300°SW∠53°～69°，裂隙一般宽0.2～0.3 cm，充填岩粉，钙膜，局部为石英脉，地表裂隙张开，无充填，胶结一般，该组倾角陡，对调压井井壁稳定不利；第②组产状为NE35°～73°SE∠60°～80°，宽0.1～0.3 cm，充填岩片、岩屑，面平直较光滑，倾角陡，对调压井井壁稳定不利；第③组为片麻理面裂隙，产状为NE50°～85°NW∠15°～25°，充填岩屑，局部充填石英脉，胶结一般，面平直稍粗糙。调压井围岩的物理力学参数见表1。

表1 调压井围岩物理力学参数表

1.2 调压井结构布置

赞比亚下凯富峡水电站为混合式电站，工程主要任务是发电。该电站引水系统主要建筑物包括进水口、引水隧洞、调压井和压力管道。引水系统总长约5.2 km，引水隧洞衬砌后内直径为11.4 m，在距离引水隧洞进口约4.5 km处设置调压井。井内连接有7条岔洞，分别为1条引水隧洞、1条调压井交通洞、5条发电洞，调压井下游设置事故闸室，调压井开挖断面为半圆形+扇形，最大开挖直径为50.8 m，最大开挖跨度62.4 m，开挖深度为133.5 m，尤其是闸室顶拱部位径向扩挖7.3 m，形成一内、外弧长分别为64.4 m和81.5 m的倒悬。调压井布置见图1。

图1 调压井结构布置单位：m

2 围岩系统锚杆支护参数优化

2.1 调压井系统锚杆支护参数优化过程

本工程调压井系统锚杆支护参数优化分析采用三维弹塑性有限元和关键块体理论相结合的方法，具体过程如图2。

图2 锚杆长度优化流程

2.2 支护措施初步拟定

岩体竖井工程围岩支护措施主要是素喷混凝土(挂网)+锚杆，局部锚索。国内现行GB 50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》关于系统喷锚支护参数的竖井最大直径为15 m；DL/T 5195-2004《水工隧洞设计规范》的最大直径为30 m，Ⅲ类围岩最大直径只有20 m，Ⅳ类围岩最大直径只有15 m。对于开敞式竖井井口均用长锚杆和1 m厚钢筋混凝土衬砌锁口。参考类似工程见表2，调压井边墙系统锚杆长度L与调压井直径D的比值为0.08～0.32，平均为0.15；与调压井开挖高度H比值为0.04～0.14，平均为0.09。以此初步拟定本工程调压井围岩系统支护措施见表 2，系统锚杆长度L与调压井直径D的比值为0.18～0.25，与调压井开挖高度H比值为0.07。

表2 国内部分大型调压井围岩支护参数

2.3 三维有限元模型

根据调压井开挖体形和高度，开挖施工过程模拟分6个阶段，即第1阶段：开挖调压井竖井高程615.00～600.00 m；第2阶段：开挖调压井竖井高程600.00～564.00 m；第3阶段：开挖调压井竖井高程564.00～537.00 m；第4阶段：开挖调压井竖井高程537.00～513.00 m；第5阶段：开挖调压井竖井高程513.00～597.00 m；第6阶段：开挖调压井竖井高程497.00～481.50 m，调压井三维有限元模型如图3所示。模型采用直角坐标系，X轴代表顺水流方向，指向下游为正；Y轴代表垂直水流方向，左岸为正；Z轴代表竖直方向，指向上为正。锚杆用杆单元模拟，围岩用Solid单元模拟。模型底部为固端约束，四周侧面为法向约束，顶面为自由面。计算分析采用的软件为MIDAS NX。

图3 调压井三维有限元模型

岩体初始地应力按自重应力场考虑。Ⅲ类围岩摩擦系数f′=1.0，黏聚力c′=1.0 MPa，变形模量E0=8.0 GPa。Ⅳ类围岩摩擦系数f′=0.70，黏聚力c′=0.3 MPa，变形模量E0=3.0 GPa。岩体采用屈服准则为摩尔-库伦准则。

按照图2系统锚杆支护参数优化流程，先后2次调整系统锚杆长度并进行相应的计算。3种喷锚支护方案中锚杆直径均为32.0mm，间排距2.0 m×2.0 m(水平向×竖直向)矩形布置，锚杆长度如下：

(1)方案a:系统锚杆长度L=9.0 m。

(2)方案b:高程513.00 m以上的锚杆长度L= 6.0 m/9.0 m；高程481.50～513.00 m的系统锚杆长度L= 9.0 m。

(3)方案c:高程513.00 m以上的系统锚杆长度L=4.5 m/6.0 m；高程481.50～513.00 m的系统锚杆长度L=9.0 m。

2.4 三维有限元计算结果及分析

(1)围岩塑性区

3种喷锚支护方案对围岩塑性区深度和范围分布影响很小，最大深度影响率为8.0%。调压井开挖结束后，围岩塑性区主要出现在高程513.00 m以下，高程513.00～495.40 m井筒围岩塑性区最大深度为6.0 m；调压井底部高程481.50～495.40 m且靠近流道上游围岩，因受两边开挖的影响，塑性区深度较大；图4是方案3塑性区分布示意图，在靠近流道上游塑性区的最大深度为13.5 m(见图4(b))；竖井与发电洞交叉口围岩处于塑性状态，围岩塑性区的最大深度为5.0 m。高程513.00 m以上，围岩塑性区分布的范围很小，最大深度为5.6 m。高程513.00 m以下的部分塑性区深度大于锚杆入岩长度，但90%锚杆长度穿过围岩塑性区，所有锚杆长度均大于塑性区深度的70%；高程513.00 m以上的锚杆入岩长度基本穿过塑性区深度。

图4 调压井开挖围岩塑性区分布

(2)围岩变形

3种喷锚支护方案围岩水平变形较小，差异性也较小，差值约0.5 mm。拿方案3来说，调压井开挖结束引起的最大水平变形为8.1 mm，是竖井开挖洞径36.0 m的0.023%。调压井每个阶段开挖最大水平变形增加幅度较小，如图5所示，增幅为0.1～2.9 mm，上下游方向增幅要大于垂直水流方向。上下游方向水平变形大于垂直水流方向的水平变形，变形最大值位于下部，这与下部地应力较高有关，也是第6阶段开挖变形增幅最大原因之一；另外一个原因是高程513.00 m下游存在长度7.3 m的倒悬。

图5 每一阶段开挖后最大水平变形

(3)锚杆应力

98%锚杆的拉应力在250 MPa以下，锚杆最大拉应力出现在流道开挖交叉口处，3种方案高程513.00 m以上部位锚杆轴向应力最大值分别为49.5、56.0、60 MPa；高程513.00 m以下部位锚杆轴向应力最大值分别为332.3、384.9、384.9 MPa，小于锚杆屈服强度450 MPa。

2.5 块体稳定分析

图6～8为块体分布与系统锚杆长度对比关系示意图。块体特征见表3～5。计算分析结果如下：

图6 高程615.00～513.00 m的块体分布及支护图

图7 高程513.00～495.00 m楔形体分布及支护图

图8 高程495.00～481.50 m的块体分布及支护图

表3 高程 615.00～513.00 m块体特征

表4 高程513.00～495.00 m块体特征

表5 高程495.00～481.50 m块体特征

(1)在围岩中延伸深度较大的块体，自然状态下即不考虑支护，安全系数大于1.5。

(2)在喷锚系统支护下，井壁上所有块体体安全系数大于1.5，说明一期支护措施满足要求。

(3)在施工开挖过程中，如果一期系统支护措施不及时或不支护，由于开挖卸荷，岩体松弛影响，岩体结构面凝聚会大幅度降低，甚至降到0，当c′=0时，部分块体的安全系数小于1.0，因此，若不及时施加一期系统支护措施，围岩就会发生渐进性的剥落或塌落破坏，拖延时间过长，甚至会导致较大的塌方。

2.6 支护措施优化结果

根据施工力学过程三维有限元模拟计算和块体稳定分析，并结合类似工程类比，提出的支护措施为：高程513.00 m以上布置系统锚杆，直径为32 mm，长度为6.0 m/4.5 m，间排距为2.0m×2.0m(水平×竖直)矩形布置；高程481.50～513.00 m布置系统锚杆，直径为32 mm，长度为9.0 m，间排距为2.0 m×2.0 m(水平×竖直)矩形布置；挂Ø6 @200 ×200网,喷混凝土C25，厚度为10 cm。优化后系统锚杆长度L与调压井开挖深度H之比为0.033～0.037。考虑高程513.00 m处局部悬空稳定需要，在高程513.00 m高程倒悬体以上布置5排直径为32 mm，长度为12.0 m，间距为1.0 m×1.0 m(水平×竖直)的长锚杆。

3 现场支护效果

根据调压井开挖体形及开挖高度，分别在井口以下20 m(高程596.00 m)及闸室倒悬体上部2.3 m(高程516.00 m)处布置多点位移计、锚杆应力计等。

锚杆应力与围岩变形监测值相对较大区域与三维有限元计算结果规律基本一致，均发生在开挖交叉处，锚杆应力监测最大值为70.6 MPa，对应该部位三维有限元计算锚杆应力为120.0 MPa。事故闸室倒悬处围岩监测变形最大值为1.53 mm，比计算值小6.57 mm，监测值偏小的主要原因可以归结为以下3个方面:一是计算得到的变形是竖井整个开挖全过程变形完整的积累，不存在时间滞后效应，而多点位移计监测到的变形通常具有很大的滞后效应，对于本工程来说，埋在高程516.00 m的多点位移计基本测不到高程516.00 m 以上开挖卸荷引起的围岩变形，测到的主要是5阶段和6阶段的开挖变形即高程516.00～481.50 m段岩体开挖所引起的变形。根据图5可得出该阶段开挖所引起的总变形约为3.9 mm，该变形值比该处实际测到的最大变形值大2.37 mm；二是岩体是一种非常不均匀介质，难以给出准确的物理力学特性指标；三是岩体初始地应力分布和量值也存在不准确性。