中梁一級水電站地下廠房洞室群圍巖穩定的分析方法

劉 婷

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000)

1 工程概述

中梁一級水電站位于重慶市巫溪縣境內，為大寧河干流梯級開發的龍頭電站，壩址位于中梁鄉，距巫溪縣城49 km。地下廠房位于壩址下游8 km的半溪溝口，主要建筑物包括主、副廠房、主變洞、尾閘室、進廠交通洞、主廠房排風洞、出線洞、尾水隧洞等。廠房安裝3臺單機容量為24 MW的混流式水輪發電機組，總裝機容量72 MW。工程于2006年10月開工建設，2012年完工。

2 地下廠房圍巖地質條件

地下廠房布置于右岸山體中，方向為NE36°，上覆巖體厚度約150 m，水平埋深約105 m。洞室群圍巖為三疊系大冶組薄至中厚層泥質灰巖、灰巖，新鮮巖石的飽和抗壓強度為50～80 MPa。巖層走向為NW278°～290°，傾向SW，傾角64°～68°，圍巖類型為Ⅱ類～Ⅲ類。廠區地層巖溶不發育，洞室位于地下水位之下，巖體透水率為0.5～2 Lu。

3 地下廠房洞室群圍巖穩定分析

3.1 地下廠房洞室群布置

廠房三大主洞室采用平行布置方式(圖1)，從上游向下游分別為主廠房、主變室、尾閘室，洞室間巖壁厚度分別為24.2 m和14 m。主廠房尺寸為57.6 m×16.3 m×36.6 m(長×寬×高)，主變室尺寸為35 m×12.1 m×21.6 m(長×寬×高)，尾閘室尺寸為19.3 m×10.1 m×11 m(長×寬×高)。尾水系統采用三機一洞的布置方式。主要洞室剖面見圖2。

3.2 分析方法

針對中梁一級水電站地下廠房洞室群的地形、地質條件和結構布置型式，采用FLAC3D程序模擬圍巖及支護的三維力學行為進行三維數值仿真分析研究圍巖的穩定性。主要研究內容包括：

(1)模擬廠區的實際地形、地質條件，根據實測的初始地應力點及其測值，建立合理的廠區初始地應力反演回歸分析模型，對廠區初始地應力場進行反演分析計算。

(2)對地下廠房洞室群采用無支護、噴錨支護方案的圍巖穩定進行分析與比較，研究合理的地下廠房洞室群布置格局及主洞室合理的間距，根據初擬的地下廠房洞室群的開挖程序，研究最佳的開挖方案。

(3)在確定廠房位置、主洞室合理間距及施工開挖順序后，分析比較各種支護措施下圍巖與錨固系統的協調性，對圍巖支護參數進行優化選擇。

(4)針對地下廠房巖體物理力學參數的變化，對地下廠房洞室群圍巖的穩定性進行敏感性分析。

3.3 研究成果

(1)數值分析成果表明，中梁一級水電站地下廠房洞室群圍巖在各種分析工況下都能維持穩定狀態，洞室群的結構布置合理、可行。

(2)初始地應力場的選取對計算結果影響較大。

(3)洞室群圍巖最大的位移區發生在主廠房洞室上下游邊墻的中部范圍；從應力分布看，地下廠房洞室圍巖出現了一定范圍內的拉應力區，除局部拉應力略大于1 MPa外，其余部位的拉應力均小于1 MPa；從塑性區分布情況看，最危險部位發生在各洞室之間的巖體、洞口交接處巖體等部位。

圖1 地下廠房平面布置示意圖

圖2 主要洞室剖面圖

(4)采用錨桿支護措施，可以有效地減少廠房上下游邊墻巖體在后續開挖過程中引起的變形，同時可以減小或消除圍巖中的拉應力，說明適當設置錨桿對增加邊墻的穩定性十分必要。在主變室和主廠房之間的巖體設置對拉預應力錨索對增加巖體的穩定性十分有利，在洞室開挖過程中，錨索發揮了較好的作用。

(5)敏感性分析表明：巖體內摩擦角的取值對圍巖穩定的影響較大。

4 結 語

中梁一級水電站地下廠房洞室群的三維數值仿真分析計算表明：選擇合理的支護型式、支護范圍及支護參數，可以有效改善圍巖的應力分布和變形狀況，同時可對支護工程進行有效地優化，有利于減少投資并縮短工期。因此，采用三維數值仿真分析方法對地下廠房洞室群圍巖穩定進行分析計算，可以為地下廠房的結構布置及圍巖支護設計提供依據和驗證，不失為一種行之有效的分析計算方法，可為類似工程的設計和研究提供一定的參考。

作者簡介:

劉 婷(1968-)，女，湖南攸縣人，副設計總工程師，高級工程師，學士，從事水電站設計工作.