兩河口水電站地下廠房縱軸線方位選擇研究

楊英，廖成剛，江波

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 概述

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上。壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2 km 處。電站樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、左岸泄洪放空建筑物、右岸地下式引水發(fā)電建筑物組成。電站裝機(jī)容量3000 MW，多年平均年發(fā)電量102.745億kW·h。

在可研設(shè)計階段，結(jié)合壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件，經(jīng)全面分析比較，將主要泄洪建筑物布置在左岸，將引水發(fā)電和導(dǎo)流隧洞等建筑物布置在右岸。其中，右岸地下廠房洞室群主要由主廠房(寬28.4 m×高65.3 m)、主變室(寬18.8 m×高25 m)、尾水調(diào)壓室(寬19.5 m×高63.8 m)三大洞室組成。引水建筑物采用“單機(jī)單洞”布置。尾水建筑物下游部位與兩條導(dǎo)流洞結(jié)合布置。

右岸地下廠房區(qū)為高地應(yīng)力地區(qū)，砂板巖層面裂隙及小斷層發(fā)育。廠區(qū)水平埋深約350 m，垂直埋深400～450 m。廠區(qū)砂板巖巖石堅(jiān)硬，巖體呈微風(fēng)化～新鮮狀，其飽和抗壓強(qiáng)度大于60 MPa，巖體聲波波速一般大于5000 m/s。圍巖類別以Ⅲ1類為主、Ⅲ2類為次。

廠區(qū)小斷層主要發(fā)育有f9、f10兩組。f9斷層的產(chǎn)狀為NW65°～70°/SW∠65°～70°，f10斷層的產(chǎn)狀為NW70°/SW∠60°，其走向均與地層產(chǎn)狀一致。裂隙優(yōu)勢方向共有4組:J1.NW60°～70°/SW ∠60°～70°，J2.NW0°～30°/ SE ∠10°～30°，J3.NE0°～30°/ SE∠40°～60°，J4.NE0°～30°/ SE (NW)∠70°～90°。裂隙發(fā)育方向以J1、J2兩組發(fā)育為主，同一部位一般發(fā)育2～3組，裂隙間距0.2～0.6 m，延伸長2～3 m，裂面新鮮，多起伏粗糙，閉合無充填。

廠區(qū)地下水位較低，巖體含水不豐，透水性微弱。

右岸山體實(shí)測最大主應(yīng)力σ1=18.09～30.44 MPa，平均為21.5MPa，最大主應(yīng)力方向區(qū)間為NE20.3°～57.7°，平均NE41.9°，傾向坡外，略緩于岸坡，屬構(gòu)造與重力疊加的高地應(yīng)力區(qū)。

綜上所述，右岸地質(zhì)條件對地下廠房的縱軸線選擇有一定的限制要求，需要結(jié)合巖層的走向、地應(yīng)力的方向、水頭損失大小、與樞紐布置格局的協(xié)調(diào)等因素，在對主廠房的縱軸線方位進(jìn)行全面分析比較后，最終從滿足圍巖穩(wěn)定、運(yùn)行效益最優(yōu)出發(fā)，選擇出最合理的廠房縱軸線方案。

2 地下廠房位置和縱軸線選擇

2.1 廠房縱軸線方位布置原則及方案擬定

結(jié)合本工程的特點(diǎn)和國內(nèi)大型地下廠房的布置經(jīng)驗(yàn)，廠房縱軸線的方位選擇應(yīng)滿足樞紐建筑物之間相互協(xié)調(diào)并使水流順暢，應(yīng)使廠房縱軸線與初始地應(yīng)力的最大主應(yīng)力方向呈較小夾角，還應(yīng)與主要結(jié)構(gòu)面走向呈較大夾角，以滿足圍巖穩(wěn)定要求。

根據(jù)上述布置原則，右岸地下廠房擬定了以下三個方案進(jìn)行比較:

方案一:地下廠房縱軸線NE3°。

方案二:地下廠房縱軸線N25°。

方案三:地下廠房縱軸線N23°。

三個縱軸線方案對應(yīng)的引水發(fā)電系統(tǒng)布置情況分別見圖1～3。

圖1 軸線方案一(NE3°)對應(yīng)的引水發(fā)電系統(tǒng)平面布置圖

圖2 軸線方案二(NW25°)對應(yīng)的引水發(fā)電系統(tǒng)平面布置圖

圖3 軸線方案三(NE23°)對應(yīng)的引水發(fā)電系統(tǒng)平面布置圖

2.2 三個方案對應(yīng)的水力條件比較

選擇較長的引水尾水管道計算水頭損失。壓力管道內(nèi)徑為7.5 m，單機(jī)設(shè)計引用流量為248.6 m3/s;尾水洞斷面12 m×15 m。

三個方案6#壓力管道-2#調(diào)壓室-2#尾水洞水頭損失計算成果見表1。

從表1可見，由于方案三引水和尾水線路最長，其水頭損失最大;方案二水頭損失最小;方案一水頭損失大小居中。

2.3 與初始地應(yīng)力及結(jié)構(gòu)面夾角進(jìn)行比較

三個方案廠房縱軸線方位與最大主應(yīng)力方向以及與廠區(qū)主要結(jié)構(gòu)面的夾角關(guān)系見表2。房縱軸線方位與最大主應(yīng)力方向及主要結(jié)構(gòu)面走向的夾角在同規(guī)模工程中居中。

表1 各縱軸線方案引水、尾水系統(tǒng)水頭損失計算成果表 /m

表2 廠房縱軸線與廠區(qū)主要結(jié)構(gòu)面及最大主應(yīng)力夾角關(guān)系表

2.4 圍巖穩(wěn)定性比較

表3為我國幾個在建、已建大型地下廠房的廠房縱軸線方位與最大主應(yīng)力方向以及廠區(qū)主要結(jié)構(gòu)面的夾角關(guān)系。通過工程類比，方案一的廠

表3 國內(nèi)部分地下廠房縱軸線與廠區(qū)主要結(jié)構(gòu)面及最大主應(yīng)力夾角關(guān)系表

2.4.1 不同縱軸線方位角圍巖穩(wěn)定敏感性分析

擬定了NE23°、NE13°、NE3°、NW7°、NW25°、NW40°六個廠房縱軸線方位，對不同軸線方位角與地應(yīng)力釋放、巖體塑性破壞體積、高邊墻位移等指標(biāo)的變化趨勢進(jìn)行了分析研究。計算采用二維彈塑性有限元法，選取5#和6#機(jī)組段之間的剖面進(jìn)行計算分析。

從表4及圖4可以看出，縱軸線方位角在NE23°至NW40°范圍內(nèi)變化時，廠房洞壁的釋放應(yīng)力是逐漸增加的。因此，單純從洞壁釋放應(yīng)力的角度來講，廠房縱軸線應(yīng)該是NE23°對圍巖穩(wěn)定更為有利。

表4 實(shí)測點(diǎn)PD6在不同軸線方位角的應(yīng)力分量表/MPa

圖4 地下廠房洞軸線方位角α與廠房洞壁釋放應(yīng)力σn關(guān)系圖

開挖完成后，不同縱軸線方位角的圍巖塑性體積見表5和圖5。從圖中可以看出，圍巖單寬塑性破壞體積隨方位角由NE23°向NW40°變化而逐漸增大。

不同軸線方位角的邊墻位移隨方位角的變化規(guī)律見表6、圖6。可見，洞室高邊墻位移也符合隨方位角由東向西變化而逐漸增大的規(guī)律。

2.4.2 分期開挖支護(hù)條件下不同縱軸線方案圍巖穩(wěn)定性研究

表5 圍巖單寬塑性體積隨縱軸線方位角的變化規(guī)律表

圖5 圍巖單寬塑性破壞體積隨廠房縱軸線方位角的變化規(guī)律圖

根據(jù)上述分析計算成果，NE23°方案圍巖穩(wěn)定性較優(yōu)，但引水、尾水布置不順暢，故在可研設(shè)計階段，重點(diǎn)選擇縱軸線方位分別為NE3°、NW25°兩個方案進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性研究。選取1#～3#機(jī)組段，采用彈塑性損傷有限元法進(jìn)行分期開挖、分期支護(hù)條件下的圍巖穩(wěn)定性的計算分析。

兩個縱軸線方案廠房洞室群分期開挖、分期支護(hù)完畢，各期圍巖破壞指標(biāo)見表7。軸線方案一和方案二開挖完成后，1#機(jī)組段破壞區(qū)分布圖分別見圖7和圖8。從比較可以看出，開挖完成后，方案二的開裂區(qū)達(dá)10.88萬m3，比方案一的開裂區(qū)9.6萬m3大13.3%。

表6 洞室邊墻位移隨縱軸線方位角的變化規(guī)律表/cm

圖6 主廠房上游邊墻吊車梁部位位移隨廠房縱軸線方位角的變化規(guī)律圖

圖7 軸線方案一開挖完成后1#機(jī)組段破壞區(qū)分布圖

圖8 軸線方案二開挖完成后1#機(jī)組段破壞區(qū)分布圖

至開挖完成，軸線方案二的耗散能為29.2萬t·m，比方案一的26.2萬t·m 增大了11.5%。可見，扭轉(zhuǎn)軸線后，廠房被斷層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步切割，第一主應(yīng)力與廠房軸線夾角增大，使得應(yīng)力釋放增加，造成開裂區(qū)增大，邊墻圍巖的應(yīng)力擾動加大導(dǎo)致耗散能也增加。

表7 兩個縱軸線方案洞周圍巖塑性、開裂破壞特征指標(biāo)對比表

表8 兩種軸線方案分期開挖支護(hù)下洞周位移變化值 /cm

兩種軸線方案分期開挖支護(hù)的洞周位移變化情況見表8。變位數(shù)據(jù)表明兩個軸線方案的三大洞室頂拱位移差別不大。在開挖過程中，頂拱位移變化規(guī)律也大致相同。在不同軸線方案下，三大洞室邊墻的位移有所差異，軸線方案二邊墻圍巖向內(nèi)變形的徑向荷載加大，使得邊墻位移有較為明顯的增大，洞周圍巖的穩(wěn)定性變差。

兩個軸線方案分期開挖、分期支護(hù)完成后的洞周應(yīng)力變化情況見表9。

在各期開挖末，軸線方案二的洞室頂拱第一主應(yīng)力都比方案一要大一些，表明方案二的布置方案不利于洞室頂拱應(yīng)力的均勻分布。方案二各洞室邊墻部位承受的徑向荷載更大，從而使邊墻進(jìn)一步向內(nèi)變形，在沿開挖面的徑向產(chǎn)生了更大的張拉效應(yīng)，增加了洞周的張拉破壞。

兩軸線方案的洞周應(yīng)力矢量分布規(guī)律基本相同，都是在廠房的拱座和洞室交口處出現(xiàn)應(yīng)力集中，說明兩個軸線方案分期開挖錨固支護(hù)的應(yīng)力分布規(guī)律沒有質(zhì)的區(qū)別，只是量值有差異，應(yīng)力集中的程度有所不同。

表9 兩個軸線方案分期開挖支護(hù)下洞周應(yīng)力變化表 /MPa

表10 兩個軸線方案分期開挖支護(hù)下洞周錨桿和錨索應(yīng)力值表 /MPa

同時，計算還表明，軸線方案二的三大洞室各部位錨桿、錨索應(yīng)力增幅明顯，說明方案二的邊墻部位錨桿受力增大明顯且部分已達(dá)到屈服，若采用軸線方案二，錨固支護(hù)的強(qiáng)度需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

另外，對軸線方案二在增加支護(hù)強(qiáng)度下的圍巖穩(wěn)定性也進(jìn)行了分析研究，其結(jié)果表明，在原支護(hù)的基礎(chǔ)上，軸線方案二增強(qiáng)支護(hù)后，錨索增加約370根，總錨固量雖然增加了約181.63萬t·m，但其塑性耗散能和圍巖變形仍大于軸線方案一，增加錨索所起作用不明顯。可見，軸線方案二第一主應(yīng)力與洞室縱軸線的夾角較大，既使加強(qiáng)支護(hù)，但從圍巖穩(wěn)定角度分析，軸線方案一仍明顯優(yōu)于方案二。

2.5 廠房縱軸線選擇

由上述分析比較可以看出:

從廠房與整個樞紐的協(xié)調(diào)性進(jìn)行比較，方案一和方案二明顯優(yōu)于方案三。

從發(fā)電水頭損失大小進(jìn)行比較，方案二比方案一平均多利用水頭0.3 m，顯示了相對較優(yōu)越的電量效益。

從工程量進(jìn)行比較，由于方案二對應(yīng)引水、尾水建筑物長度比方案一短83 m 和148 m，其洞室開挖量、混凝土襯砌量分別比方案一減少3.89萬m3和1.02萬m3。但由于方案二軸線與初始地應(yīng)力方向的夾角較大(平均66.9°)，造成錨索支護(hù)量比方案一多370根。因此，方案一和方案二對應(yīng)的工程投資基本持平。

從圍巖穩(wěn)定條件分析，方案一明顯優(yōu)于方案二。

綜合考慮各種因素，兩河口水電站地下廠房軸線方位應(yīng)選擇NE3°。

3 結(jié)語

兩河口水電站地下廠房在規(guī)模上是整個雅礱江流域的第四大廠房，也是國內(nèi)規(guī)模位居前列的大型地下廠房。經(jīng)過可研設(shè)計階段近五年的大量分析比較工作，目前，設(shè)計所確定的廠房軸線方位已經(jīng)通過了國家組織的專項(xiàng)審查。下一步將在已有工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)開挖所揭露的實(shí)際地質(zhì)條件和監(jiān)測分析成果，不斷完善支護(hù)設(shè)計參數(shù)，為工程早日建成發(fā)電提供技術(shù)保障。