孟底溝水電站地下廠房三大洞室間巖柱厚度選擇研究

摘 要：地下廠房三大洞室包括主廠房、主變室及尾調(diào)室，對于斷層及結(jié)構(gòu)面分布多、地應力較高的復雜地形地質(zhì)條件孟底溝水電站大型地下廠房而言，三大洞室間巖柱厚度是關(guān)系到洞室圍巖穩(wěn)定的重要因素之一。本文將根據(jù)初擬的三個巖柱厚度方案，采用三維有限元計算手段，通過成果對比分析，論述方案選擇的合理性。

關(guān)鍵詞：三大洞室；巖柱厚度；孟底溝水電站

孟底溝水電站是雅礱江中游七級開發(fā)方案中的第五個梯級，電站采用地下廠房，三大洞室平行布置。地下廠房橋機巖壁梁以下寬26.4m，以上寬度29.1m，高73.22m；主變室寬19.50m，高26.09m，尾調(diào)室24m，高60m。本文根據(jù)選定的三大洞室位置、軸線方向和布置格局及地應力反演成果，從洞室圍巖破壞區(qū)、應力、位移分布及錨桿、錨索應力分布等方面對擬定方案進行了三維有限元計算分析，從而論述其選擇的合理性。

1 方案擬定

根據(jù)國內(nèi)外大中型地下廠房相鄰洞室之間的凈距資料統(tǒng)計，相鄰洞室之間的巖柱厚度與相鄰洞室的最大開挖跨度和高度有如下關(guān)系：L/B = 0.60～1.80；L/H = 0.35～0.80。

擬定的三種比選方案如下：

方案一：主廠房與主變洞間巖柱厚度41.8m，主變洞與尾調(diào)室間巖柱厚度40m。

方案二：主廠房與主變洞間巖柱厚度46.8m，主變洞與尾調(diào)室間巖柱厚度45m。

方案三：主廠房與主變洞間巖柱厚度51.8m，主變洞與尾調(diào)室間巖柱厚度50m。

2 計算分析

孟底溝水電站可研設(shè)計階段在選定的廠址、三大洞室布置格局及廠房軸線基礎(chǔ)上，根據(jù)左岸廠區(qū)實際地形、地質(zhì)條件，通過選取合適的地質(zhì)力學參數(shù)，施加反演的初始地應力，采用初擬的地下廠房洞室群開挖順序和支護措施方案，對不同巖柱厚度方案下地下廠房圍巖穩(wěn)定特性進行了三維游戲原計算分析。

在洞室群全部開挖完畢后，綜合考慮各巖柱厚度方案下地下廠房各機組段的圍巖類別及地應力分布情況，主廠房選取4#機組段截面﹑主變洞選取2#機組段截面﹑尾調(diào)室選取1#機組段截面進行圍巖穩(wěn)定特性對比分析。

2.1 圍巖破壞區(qū)分布規(guī)律

三種洞室間巖柱厚度方案下地下廠房洞室群全部開挖支護完畢后，各典型機組段截面破壞區(qū)深度一般規(guī)律量值見表1。

總體來講，從方案一和方案二的破壞區(qū)分布對比可以看出，洞室間巖柱厚度的增加，在一定程度上能夠降低各洞室之間的相互影響，改善圍巖破壞情況；從方案二和方案三的破壞區(qū)分布對比可以看出，洞室間巖柱厚度的繼續(xù)加大，對三大洞室洞周圍巖破壞區(qū)分布的優(yōu)化并不突出，反而增加了開挖量，于施工不利。整體來看，在圍巖破壞區(qū)分布規(guī)律方面，洞室間巖柱厚度方案二較方案一和三要好。

2.2 圍巖應力分布規(guī)律

三種洞室?guī)r柱厚度方案下地下廠房洞室群全部開挖支護完畢后，各典型機組段截面圍巖各部位應力數(shù)值大小分布情況列于表2。

綜上可知，洞室全部開挖支護完成后，各典型機組段三大洞室洞周圍巖第一和第三主應力分布規(guī)律，三種方案基本一致；三大洞室拱座部位圍巖均有應力集中現(xiàn)象；從三大洞室各部位應力分布來看，三種方案，三大洞室之間圍巖的主應力分布基本相同，量值變化很小。可見，洞室間巖柱厚度的變化，對洞周圍巖應力分布影響不大。整體來看，在圍巖應力分布規(guī)律方面，洞室間巖柱厚度方案二較方案一和三要略好。

2.3 圍巖變形分布規(guī)律

三種洞室?guī)r柱厚度方案下地下廠房洞室群全部開挖支護完畢后，各典型機組段截面圍巖各部位位移數(shù)值大小分布一般規(guī)律列于表3。

整體來看，主廠房部位圍巖變形三種方案區(qū)別不大；主變洞部位方案一變形最小，方案三變形最大；尾調(diào)室部位方案一變形較方案二和三要大。出現(xiàn)這樣的分布規(guī)律，主要是由于方案一下三大洞室之間巖柱厚度相對最小，洞室開挖過程中，各洞室之間的相互影響相對最大，但是隨著洞室間巖柱厚度的增加，主變洞和尾調(diào)室洞周圍巖條件有所改變。可見，在圍巖位移分布規(guī)律方面，洞室間巖柱厚度方案二變形情況稍好。

2.4 洞周錨桿、錨索應力分布規(guī)律

三種洞室?guī)r柱厚度方案下地下廠房洞室群全部開挖支護完畢后，各典型機組段截面圍巖各部位錨桿及錨索應力數(shù)值大小分布情況列于表4～表5。

總體來看，三種洞室?guī)r柱厚度方案下，地下廠房各機組段截面，錨桿應力較大的部位主要出現(xiàn)在軟弱圍巖處，局部達到360MPa；整體來看，主廠房部位，方案一錨桿屈服范圍較方案二和三大，主變洞部位，方案三圍巖條件最差，因而錨桿大范圍內(nèi)屈服，尾調(diào)室部位，除軟弱巖體部位外，方案二量值略小。三種洞室?guī)r柱厚度方案下相應部位錨索應力量值基本相當，變幅不大；整體來看，局部軟弱圍巖部位錨索及貫穿錨索應力較其他部位要大。

3 分析結(jié)論

綜上可知，從圍巖破壞區(qū)、應力、位移及錨桿應力分布規(guī)律對比情況來看，巖柱厚度方案二較方案一和三下圍巖穩(wěn)定特性要好。出現(xiàn)這樣的分布規(guī)律，對于方案一而言，主要是由于方案一下三大洞室之間巖柱厚度相對最小，洞室開挖過程中，各洞室之間的相互影響相對最大；對于方案三而言，由于該方案下三大洞室之間巖柱厚度相對最大，雖然各洞室之間的影響相對最小，但由于母線洞和尾水洞長度的增加，開挖釋放荷載有所增加以及主變洞和尾調(diào)室洞周圍巖條件有所改變。可見洞室間巖柱厚度適當?shù)脑黾樱谝欢ǔ潭壬夏軌蚪档透鞫词抑g的相互影響，改善洞室穩(wěn)定特性；但洞室間巖柱厚度的繼續(xù)加大，對三大洞室洞周圍巖穩(wěn)定特性的改善效果沒有進一步突顯，反而增加了開挖量、改變了洞周圍巖條件，使得洞室周圍部分指標有增大的趨勢。故選擇巖柱厚度方案二作為地下廠房洞室群三大洞室間巖柱厚度設(shè)計方案基本上是合理的。

作者簡介

張順利（1979-），男，河南信陽人，高級工程師，主要從事水工廠房設(shè)計工作。