青藏高原某水电站地下厂房开挖方案比选研究

杨伟强,巨广宏,王立志

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065）

0 引言

传统的水电站选址在一定程度上取决于设计师的工程经验和技术水平,易受其主观因素影响,对评价各类不确定因素不能得到理性判断。近年来随着黄河上游复杂地区水电站工程的规划建设,工程地质方案比选地下厂房开挖中发挥越来越重要的作用。

国内外学者就地下厂房选址问题进行了广泛研究,并取得丰硕成果。冯明权等[1]通过选择影响彭水水电站两大主要地质因素：软弱夹层和岩溶,通过对比厂房首部、中部、尾部方案轴线与地质构造线关系以及岩溶位置,为方案选择提供了准确的依据；鲍利发[2]等结合地质条件（节理、地应力、围岩稳定）和水工布置特点（枢纽布置、运行要求）,综合比选并敲定适合卡拉水电站特定环境的地下厂房位置；刘畅等[3]发明了一种水电站地下厂房洞室选址快速评测方法,通过对影响选址的因素进行汇总、分类并赋予分值,根据分值对各方案进行优劣评测；李仲奎等[4]从高地应力、断层及节理切割等不理组合的角度出发,对锦屏一级水电站地下厂房出现的施工问题加以分析,并针对问题对若干对策加以探讨；徐奴文等[5]运用离散元颗粒流分析地下厂房开挖过程中控制性结构面对围岩稳定性的影响,并结合微震检测技术加以验证,以此来评价厂房围岩稳定性；王颂等[6]以地应力和山体地形为基础,采用有限元分析方法模拟厂房开挖支护,对围岩稳定性从塑性变形、应力分布及位移三个角度进行分析。整体上,从目前取得的成果上,水电站地下厂房在选址问题、理论研究、稳定性分析、评价方法、以及治理措施等方面取得了相当大的进展。

本文以青海某水电站地下厂房选址为研究对象,采用现场调查和数值分析相结合的方法,以有限元分析与块体分析理论为基础,从工程区域地质条件、岩体质量、地应力、围岩稳定性等方面展开对A方案地下厂房、B方案地下厂房分析,对厂房围岩稳定性做出合理的评价。

1 工程地质环境

青海某水电站厂房区峡谷段山高坡陡,岸坡呈现上游陡于下游、右岸陡于左岸。坝址区左岸斜坡岩性为变质砂岩；右岸上游为二长岩、下游为变质砂岩。

坝址两岸二长岩及变质砂岩中均存在基岩裂隙水,主要受大气降水及远山补给,排泄于黄河。经压水试验表明弱风化以下岩体以弱～微透水为主。

水电站坝址区最大主应力近水平,方向近E-W；测深范围内天然应力场量值约为σ1=5.88 MPa～8.99 MPa、σ2=4.68 MPa～5.17 MPa、σ3=3.42 MPa～4.65 MPa,并有随深度增加而增加的趋势。坝址区天然地应力场由自重应力和构造残余应力叠加而成,受岩体自重、构造应力、河谷下切剥蚀和卸荷影响。

2 地下厂房洞室概况

2.1 A方案地下厂房

A方案地下厂房系统由主厂房和主变室以及相应引水发电建筑物组成。该方案主要洞室（主厂房和主变室）均位于右岸变质砂岩内,主要洞室长轴方位为NW325°。该方案靠近河岸,其主要洞室（主厂房、主变室）水平埋深和垂直埋深较小,垂直埋深68 m～208 m、水平埋深36 m～256 m。

2.2 B方案地下厂房

B方案地下厂房系统方案主要洞室包括主厂房、主变室和调压井,该方案主要洞室均位于左岸变质砂岩内,主要洞室轴线方位180°（或0°）。该方案主要洞室埋深大,垂直埋深220 m～291 m,水平埋深为116 m～347 m。

3 方案比选

理想地下厂房洞室应具备以下条件：（1）地表及地下无不良地质灾害；（2）地质构造简单且单一；（3）岩体坚硬完整；（4）地下水影响小；（5）无高地应力地段。其中地下洞室的围岩稳定性是根本问题。

基于上述比选因素及围岩稳定分析,对A方案地下厂房和B方案地下厂房进行比选及研究。

3.1 基本地质条件

（1）地形地貌及水文地质

A方案地下厂房方案的厂房区山体单薄,被上下游沟谷深切,由于相距较远,同时削弱远山地下水大规模补给,对厂房区影响小；B方案地下厂房方案虽被下游沟谷切割,但切割深度小,山体雄厚,远山地下水补给较好。从上述角度,A方案地下厂房优于B方案地下厂房。

（2）岩体结构

厂房区结构面总体上不发育。微～新洞段内,2个方案厂房区的绝大多数勘探洞段的岩体结构在厚层（块状）结构以上,其中A方案地下厂房略多（91.31%）；B方案地下厂房为89.66%；极少数洞段内均有互层状（镶嵌）结构岩体出现（见表1）。

表1 岩体结构占比统计表

3.2 岩体质量

微～新岩体洞段中,2种方案的岩体质量均在Ⅲ1类以上。其中A方案地下厂房为82%,B方案最少仅为66%（见表2）。

表2 岩体质量占比统计表

3.3 地应力

为详细分析各方案地下厂房区岩体的天然应力场,本文基于区域及坝址区地应力场实测与研究成果,采用数值计算方法,反演分析地下厂房区地应力场特征,为地下厂房区围岩质量评价、围岩稳定性分析提供基础。

采用有限元软件FLAC3 D以地下厂房系统为中心构建地下厂房区天然应力计算几何模型,模型以东西为X轴、长355 m,南北为Y轴、长425 m,Z轴垂直向上,下取至2900 m高程,见图1。

图1 地应力反演数值计算模型

岩体物理力学性质见表3,参数均取自实测资料。

表3 岩体力学参数选取

分别对2种方案进行地应力场反演,结果见图2。

图2 天然应力场反演

计算结果反映了各方案洞群区开挖前的天然应力场状态。计算结果显示,A方案地下厂房天然应力最大主应力最大可达14 MPa～15 MPa；B方案地下厂房天然应力最大主应力最大可达19 MPa～20 MPa。

3.4 围岩稳定性

在前述天然应力场反演的基础上,开展地下洞群及其围岩稳定性评价。计算基于天然应力场计算模型（图2）,并根据设计方案,构建新的计算模型（图3）,以计算开挖条件下各方案地下厂房系统主要洞室的围岩应力、变形及稳定性。

图3 开挖数值计算模型

根据计算,2种方案地下厂房洞室群开挖围岩应力、应变及稳定性见图4、图5、图6。

图4 最大主应力横剖面

图5 围岩变形量及位移矢量图横剖面

图6 围岩塑性区横剖面

A方案围岩变形量最大1.05 cm,B方案变形量较大,最大2.7 cm；2个方案均无拉应力产生,这对洞室稳定性是有利的,A方案围岩最大主应力为15.41 MPa,而B方案围岩最大主应力较高,量值最大为19.28 MPa；对于围岩塑性破坏区,B方案塑性区厚度和塑性破坏单元数量均明显大于A方案。

4 结论

本文以青海某水电站地下厂房围岩稳定性为研究背景,对比选方案进行现场调查和数值分析,得出以下结论：

（1）比选方案中,2个厂房系统埋深较大,属深埋地下洞室,较B方案而言,A方案埋深相对较小。

（2）厂房区地应力量值较高,属中等偏高地应力场。其中B方案天然地应力较高,洞室开挖后应力重分布导致围岩应力较高,影响洞室稳定性。

（3）开挖条件下B方案围岩应力重分布程度最高,重分布围岩应力最高、围岩变形最大、塑性区最厚。

（4）综合工程地质条件和围岩稳定性,地下厂房系统2个比较方案均具备成洞条件。相较而言,A方案最优、B方案相对较差。