黃金坪水電站地下廠房開挖支護優化設計

王 秀 全，　羅 維 薇

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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黃金坪水電站地下廠房開挖支護優化設計

王 秀 全，羅 維 薇

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：黃金坪水電站地下廠房施工開挖揭示的圍巖地質條件好于前期階段，根據開挖的實際情況，對地下廠房三大洞室圍巖支護設計進行了優化，通過施工期圍巖穩定監測與反饋分析監測圍巖的穩定情況，同時對局部圍巖支護設計參數進行了調整。

關鍵詞：地下廠房；開挖支護；優化設計；黃金坪水電站

1工程概述

黃金坪水電站位于大渡河上游河段，系大渡河干流水電規劃“三庫22級”中的第11級電站。左右岸共有大小兩個廠房，其中大電站廠房位于大渡河左岸姑咱鎮時濟橋上游，安裝4臺機組，總裝機容量為800 MW。廠房縱軸線方位為N70°W。廠房、主變室、尾水閘門室三大洞室采用平行并列布置。主變室布置于廠房和尾閘室之間，與廠房、尾閘室巖柱厚度分別為45 m、35 m。

廠房從山里至山外依次布置副廠房、主機間、安裝間，呈“一”字型排列。主副廠房總長206.3 m，其中主機間長129 m，安裝間長54.4 m，副廠房長22.9 m。主副廠房斷面為弧拱直墻型，主機間毛洞斷面尺寸：頂拱跨度28.8 m，巖錨吊車梁以下跨度25.5 m，最大高度65.9 m；安裝間跨度與主機間相同，最大高度28 m；副廠房毛洞斷面尺寸：跨度25.5 m，最大高度38.6 m。

主變室斷面為弧拱直墻型，毛洞斷面尺寸為150.8 m×17.8 m×33.25 m(長×寬×高)。

圖1　黃金坪水電站地下廠房平面布置圖

尾閘室斷面也為弧拱直墻型，毛洞斷面尺寸為137.55 m×8 m×58.8 m(長×寬×高)。地下廠房洞室群布置情況見圖1。2可研階段三大洞室支護設計

2.1地質條件

主副廠房、安裝間圍巖為微新的斜長花崗巖、石英閃長巖，穿插有花崗閃長～角閃斜長巖質混染巖，一般呈焊融式接觸。主廠房部位西段發育2組優勢裂隙，J1:N15°～20°E/SE∠40°～45°, J2:N50°E/SE∠52°，面新鮮，間距3～30 cm；廠房頂拱局部發育有2組緩傾剛性結構面(產狀為N40°E/SE∠20°，EW/N∠30°，延伸長度5 m左右)；主廠房東段發育2組優勢裂隙，J3:N50°～85°W/SW∠65°～85°，J4:N20°～25°E/NW∠27°，間距0.2～0.5 m，面微新，輕銹，延伸長度一般為3～10 m及以上。圍巖類別以Ⅲ類為主，局部為Ⅱ類，Ⅱ、Ⅲ類約占84%，斷層帶及松弛張裂帶為Ⅳ、Ⅴ類，約占16%。洞室垂直埋深290～413 m，水平埋深249～430 m。

2.2支護設計方案

可研階段黃金坪水電站地下廠房支護設計根據地質條件、參考已建成的工程經驗，同時通過彈塑性有限元分析確定了三大洞室圍巖支護設計方案，其設計參數見表1。

表1　可研階段地下廠房三大洞室圍巖支護參數表

3施工圖優化設計

3.1地質條件

在技施階段，黃金坪水電站地下廠房洞室根據初步開挖揭示的地質條件看，廠房和主變室地層巖性以斜長花崗巖為主，夾部分石英閃長巖及花崗閃長～角閃斜長巖質混染巖，巖體間均呈焊融式接觸。洞室圍巖呈微風化～新鮮，整體干燥。主要發育5條小斷層和9組裂隙。裂隙較發育，巖體堅硬、較完整，主要呈次塊狀結構，塊狀、鑲嵌狀結構次之，局部為碎裂結構。圍巖以Ⅲ類為主(含Ⅲ1類、Ⅲ2類，其中Ⅲ1類占56.7%，Ⅲ2類占15.3%)占72%，少量為Ⅱ類、Ⅳ類(其中Ⅱ類占17.4%，Ⅳ類占10.6%)。尾閘室巖體較完整，局部存在不利組合，穩定性差。開挖揭示洞室巖體情況為：Ⅱ類巖體段占32%；Ⅲ類巖體段占51.5%；Ⅳ、Ⅴ類巖體占16.5%。

3.2優化設計之基礎

從三大洞室圍巖地質條件看，可研階段廠房、主變室圍巖Ⅱ、Ⅲ類巖體約占84%，Ⅳ、Ⅴ類巖體約占16%；施工階段開挖揭示的圍巖顯示，Ⅱ、Ⅲ類巖體約占89.4%，Ⅳ類巖體占10.6%，無Ⅴ類巖體。施工階段的圍巖情況明顯好于可研階段，圍巖支護設計參數具有優化的可能。

3.3圍巖支護優化設計

圍巖支護設計的原則以已建成的工程經驗和工程類比為主，巖石力學數值分析為輔；發揮圍巖本身的自承載能力，以系統支護為主，局部加強為輔并與隨機支護相結合；圍巖支護參數應根據實際開挖揭示的地質條件、結合圍巖快速監測反饋分析進行動態設計。

根據圍巖支護設計原則確定的支護參數見表2，支護形式見圖2。同時，在施工過程中，通過圍巖快速監測和反饋分析，及時調整洞室支護參數并檢驗支護參數的合理性。

表2　優化設計地下廠房三大洞室圍巖支護參數表

圖2　優化設計三大洞室圍巖深層支護圖

4圍巖穩定監測與反饋分析

黃金坪水電站地下廠房三大洞室圍巖監測反饋分析以四個監測斷面(樁號廠橫0+027、0+70.8、0+131.8、0+195)為研究對象，模擬實際地形、地質條件(包括巖脈破碎帶、斷層、陡、緩傾角裂隙密集帶等各類結構面)，選取合適的地質力學參數，施加初始地應力，模擬地下廠房洞室群的實際開挖順序(確定方案為10級開挖)和支護措施。建立圍巖穩定性的評價方法，對圍巖整體穩定特性和局部穩定性進行分析評價，進而為地下洞室開挖支護設計提供參考，同時檢驗支護設計的合理性。圍巖監測反饋分析評價結果如下：

(1)洞周變位與破壞區反演計算結果。

經對第10級開挖進行反演分析，表明廠房頂拱下沉變形最大量為20.63 mm，上游側巖錨吊車梁最大變位為31.55 mm；下游邊墻最大變位為73.01 mm 。主變室頂拱下沉量為19.84 mm，上游邊墻向洞內變位為36.63 mm，下游邊墻向洞內變位為53.79 mm，均出現在3#機組段。尾閘室上游邊墻向洞內變位1#機組段為55.05 mm；下游邊墻向洞內變位3#機組段為56.63 mm。

主廠房頂拱最大破壞區深度大約在5.51 m左右；巖錨梁及邊墻上的塑性破壞區限于淺表部，深度在4.5 m以內。主變室拱頂破壞區厚度為5.45 m，底板破壞區厚度為9.55 m。主變室下游邊墻破壞區厚度為9.54 m。尾閘室破壞區分布范圍較深，因受f7-35的影響，上游邊墻破壞區深度達到11.24 m，較下游邊墻的5.12 m深。但破壞區深度均未超過錨索錨固深度。圖3為開挖完成后圍巖破壞區三維圖。

圖3　第10級圍巖破壞區三維圖

(2)錨桿、錨索內力分析結果。

①錨桿內力分析結果。

錨桿內力隨著開挖區域的增大而增大，隨著開挖面積的增大，在兩拱腰及邊墻中部一般均較其他部位大。如0+027剖面錨桿內力極值出現在第10級開挖后的上游拱腰，量值為85.3 MPa；0+070.8剖面錨桿內力極值出現在第10級開挖后的主變室下游邊墻中部，量值為124.82 MPa；0+0131.8剖面錨桿內力極值出現在第10級開挖后的主變室下游邊墻中部，量值為153.19 MPa；0+195剖面錨桿內力極值出現在第10級開挖后的下游拱腰，量值為84.51 MPa。以上內力數值均在正常值范圍內。

②錨索內力分析結果。

錨索設計噸位：15 m/20 m分別為1 500 kN/

1 750 kN，45 m對穿錨索設計噸位為1 750 kN，以0+070.8剖面(1#機組)為例，第10級開挖以后，主廠房預應力錨索內力最大值出現在上游吊車梁上部，量值為1 369.35 kN，比1 750 kN的設計噸位小380.65 kN。

(3)監測數據分析。

①從變形監測數據看，三大洞室變形最大處為主變室下游邊墻。第10層開挖結束后，1#機組0+070.8剖面主變室下游邊墻M4ZZB-10的監測變形達到86.99 mm，3#機組0+131.8剖面主變室下游邊墻M4ZZB-15的監測變形達到79.11 mm。與其它同類工程相比，黃金坪水電站地下洞室變形數值不大，目前變形已經收斂，趨于穩定。

②從錨桿內力監測數據看，φ28錨桿拉力最大值發生在廠房樁號0+195的上游邊墻，數值為163.6 kN，φ32錨桿拉力最大值發生在廠房樁號0+131.8的下游邊墻，數值為146.6 kN。其它部位錨桿拉力值均很小，錨桿拉力均未超過錨桿抗拉強度設計值。

③從錨索內力監測數據看，1 750 kN錨索最大拉力出現在樁號為0+131.8的下游邊墻上，數值為1 677 kN，未超過錨索設計值。到目前為止，錨索監測數據顯示其均已趨于穩定。

5結語

黃金坪水電站左岸地下廠房洞室主廠房、主變室、尾閘室及尾水連接洞均已于2013年8月全部開挖完成，三大洞室邊墻變位目前已基本收斂并趨于穩定。各洞室邊墻處塑性區破壞未聯通且深度小于錨索錨固深度。錨桿、錨索內力值未超出設計數值。監測和反演計算成果表明：圍巖整體穩定性滿足設計要求。到目前為止，洞室運行情況良好。

實施優化后的圍巖支護設計與可研設計階段相比，優化減少L=15/20 m,T=1 500/1 750 kN的錨索459束；優化減少L=45 m,T=1 750 kN的對穿錨索79束。

參考文獻:

[1]李華曄.地下洞室穩定性分析[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[2]馮夏庭，周輝，李紹軍，等.巖石力學與工程綜合集成智能反饋分析方法及應用[J].巖石力學與工程學報，2007,27(9)：1 337-1 344.

(責任編輯：李燕輝)

王秀全(1967-)，男，吉林白城人，高級工程師，學士，從事水電工程設計工作；

羅維薇(1965-)，女，貴州黔南人，高級工程師，學士，從事水電工程設計工作.

The Optimization Design of Excavation and Supporting for Underground Powerhouse of Huangjinping Hydropower Station

WANG XiuquanLUO Weiwei

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu , Sichuan, 610072,China)

Abstracts: Geological conditions of surrounding rock in underground powerhouse of Huangjinping hydropower station revealed by excavation are much better than that in early stage. According to the actual circumstance of the excavation, design of excavation and supporting for surrounding rocks is optimized for three main underground caverns. Besides, local surrounding rock supporting design parameters have been adjusted and surrounding rock stability has been monitored according to the analysis of surrounding rock stability monitoring and feedback analysis during the construction.

Keywords:underground powerhouse ?excavation and supporting optimization design

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0051-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;TV22;TV52;TV51;TV554

收稿日期:2015-12-31