烏東德水電站左岸地下廠房B類角礫巖區(qū)域穩(wěn)定性分析

(1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，北京 100038；2.三峽大學(xué)土木水電學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

1 引 言

烏東德水電站位于金沙江下游，電站左右岸主廠房對(duì)稱布置于兩岸山體中，均靠河床側(cè)布置，各安裝6臺(tái)單機(jī)容量為850MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量10200MW，多年平均發(fā)電量389.3億kW·h。電站地下主廠房長(zhǎng)333m，為圓拱直墻型，頂拱中心高程855.0m，機(jī)窩底板高程765.2m，高89.8m。巖錨梁臺(tái)面高程839.7m，巖錨梁以上跨度32.5m，以下跨度30.5m。電站樞紐布置如圖1所示。

圖1 烏東德水電站樞紐平面布置

烏東德水電站左岸地下主廠房第一層開(kāi)挖后揭露較大面積的B類角礫巖，現(xiàn)場(chǎng)深入地質(zhì)工作已查明廠房YC=1+230～1+305區(qū)域B類角礫巖分布(見(jiàn)圖2)，前期的設(shè)計(jì)變更考慮采用1500kN、長(zhǎng)約49m的預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，實(shí)施中遇到下索困難的難題。為確保工程安全，建議優(yōu)化廠房該洞段頂拱的錨索支護(hù)長(zhǎng)度(如考慮下索深度可能性，將預(yù)應(yīng)力錨索減小到40m左右)。為此，本文從巖石力學(xué)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的角度，通過(guò)多角度計(jì)算，分析了B類角礫巖對(duì)左岸地下廠房頂拱穩(wěn)定性的影響，闡明角礫巖塑性區(qū)深度特點(diǎn)，并建議了錨索加強(qiáng)支護(hù)的最小深度范圍。

2 計(jì)算分析方案

2.1 B類角礫巖基本力學(xué)特性與參數(shù)取值

總的來(lái)看，B類角礫巖相對(duì)其外側(cè)母巖的變形模量、波速等較低，劃歸Ⅲ2類圍巖。該角礫巖體對(duì)廠房頂拱的穩(wěn)定性影響主要取決于以下兩方面。

2.1.1 B類角礫巖本身的強(qiáng)度特性和完整性

左岸廠房角礫巖區(qū)取樣進(jìn)行的巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明，自然狀態(tài)下較完整B類角礫巖的單軸抗壓強(qiáng)度約50多MPa(試驗(yàn)取樣一般為較完整的巖塊)，按70%折減，則B類角礫巖的代表性強(qiáng)度約40MPa，變形模量約12GPa，泊松比約0.3，如表1所列。根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，為“較硬巖(60～30)”。此外，進(jìn)一步分析角礫巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，其試樣破壞的擴(kuò)容拐點(diǎn)(對(duì)應(yīng)裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展點(diǎn)B)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值約為峰值強(qiáng)度(A點(diǎn))的70%～80%(見(jiàn)圖3)，據(jù)相關(guān)理論可認(rèn)為角礫巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度約為峰值強(qiáng)度的 70%～80%。這表明從施工安全的角度看，初期支護(hù)需要穿過(guò)工程巖體的施工期塑性區(qū)深度(對(duì)應(yīng)A點(diǎn))；而從工程長(zhǎng)期安全角度看，加強(qiáng)支護(hù)錨桿/錨索的深度應(yīng)該穿過(guò)工程巖體接近峰值強(qiáng)度的70%的部位(對(duì)應(yīng)B點(diǎn))。

圖2 左岸主廠房B類角礫巖分布(引自長(zhǎng)烏3-15設(shè)計(jì)通知) (單位：cm)

圖3 武漢巖土力學(xué)研究所對(duì)左岸廠房開(kāi)展的B類角礫巖試驗(yàn)結(jié)果(部分)

巖土所這一試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)院施工地質(zhì)簡(jiǎn)報(bào)中的巖石試驗(yàn)結(jié)果基本一致。兩方面試驗(yàn)結(jié)果表明，左岸廠房B類角礫巖的巖石強(qiáng)度本身不低，具有相當(dāng)?shù)某休d能力。因此，在本次計(jì)算過(guò)程中，其力學(xué)參數(shù)取值如表2所列，其力學(xué)模型為Mohr-Coulomb理想彈塑性模型。

表1 左岸廠區(qū)B類角礫巖自然狀態(tài)下巖樣的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

表2 B類角礫巖巖體物理力學(xué)參數(shù)取值(據(jù)《地質(zhì)簡(jiǎn)報(bào)》總第87期)

2.1.2 B類角礫巖與母巖的膠結(jié)程度

現(xiàn)有鉆孔電視觀察和開(kāi)挖后現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查表明，左岸廠房的B類角礫巖與周邊正常巖體亦沒(méi)有明顯的分界面，其與周邊巖體膠結(jié)好，結(jié)合緊密，似“熔融接觸”。因此，可認(rèn)為洞室開(kāi)挖過(guò)程中兩類巖體分界面之間的非連續(xù)變形與開(kāi)裂的可能不太大，有利于洞室頂拱的整體穩(wěn)定。數(shù)值模擬過(guò)程中因此也未設(shè)置相應(yīng)的分界面，范圍按實(shí)際揭露的最大深度和形態(tài)考慮。

2.2 計(jì)算工況

計(jì)算方案如表3所列，即一種符合工程現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算工況和兩種假定的不利工況。

表3 左岸地下廠房角礫巖洞室區(qū)域洞室穩(wěn)定性計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

上述設(shè)定工況計(jì)算分析表明：不同工況下洞室頂拱圍巖變形總量、明顯變形深度和塑性區(qū)深度都不一樣。

a.按目前實(shí)際角礫巖分布和建議的實(shí)際巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算(工況1)：洞室頂拱角礫巖明顯變形區(qū)域一般在10m范圍內(nèi)，而30m深度外角礫巖變形不明顯；施工期洞室開(kāi)挖完成后的角礫巖塑性屈服區(qū)深度一般在6～8m左右；當(dāng)考慮長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí)，其巖體長(zhǎng)期屈服區(qū)深度可能達(dá)到15～20m左右，參見(jiàn)圖4。

b.按假設(shè)整個(gè)頂拱區(qū)域巖體均為角礫巖和建議的實(shí)際巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算(工況2)：洞室頂拱角礫巖區(qū)域明顯變形區(qū)域一般在20m左右；施工期洞室開(kāi)挖完成后的角礫巖塑性屈服區(qū)深度一般為10～12m，表層圍巖松弛加劇；當(dāng)考慮長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí)，其巖體長(zhǎng)期屈服區(qū)深度可能達(dá)到20m左右，參見(jiàn)圖5。

c.按假設(shè)目前頂拱揭露角礫巖為Ⅳ類圍巖的巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算(工況3)：洞室頂拱角礫巖明顯變形區(qū)域深度達(dá)到30m；施工期洞室開(kāi)挖完成后的角礫巖塑性屈服區(qū)深度一般在15m左右，表層圍巖松弛開(kāi)裂突出；當(dāng)考慮長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí)，其巖體長(zhǎng)期屈服區(qū)深度可能達(dá)到30m左右，接近角礫巖外邊界，參見(jiàn)圖6。

圖4 實(shí)際角礫巖分布和實(shí)際巖體力學(xué)參數(shù)條件下(工況1)頂拱圍巖力學(xué)特點(diǎn)

圖5 設(shè)定頂拱全部為角礫巖和實(shí)際巖體力學(xué)參數(shù)條件下(工況2)頂拱圍巖力學(xué)特點(diǎn)

圖6 設(shè)定角礫巖實(shí)際分布形式和Ⅳ巖體力學(xué)參數(shù)條件下(工況3)頂拱圍巖力學(xué)特點(diǎn)

洞室開(kāi)挖后表層角礫巖實(shí)際卸荷劣化特征不突出，圍巖松動(dòng)圈深度不大，變形監(jiān)測(cè)值趨于收斂的現(xiàn)場(chǎng)圍巖力學(xué)特征與計(jì)算工況1的情況最為接近，反過(guò)來(lái)表明目前對(duì)角礫巖力學(xué)特性估計(jì)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果都具有一定的可靠性。

d.一般而言，弧形頂拱受力條件相對(duì)直立高邊墻條件好些，如果將整個(gè)廠房洞室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化看成一個(gè)桿系體(見(jiàn)圖7)，則當(dāng)洞室開(kāi)挖到第3～4層后，受邊墻向臨空面變形的作用，頂拱變形一般趨于穩(wěn)定，局部可能還表現(xiàn)出輕微的上抬(回彈)變形。這一特點(diǎn)在我國(guó)多個(gè)地下廠房都有所體現(xiàn)，如拉西瓦水電站地下廠房開(kāi)挖到后期頂拱出現(xiàn)了變形輕微回彈現(xiàn)象(見(jiàn)圖8)。烏東德左岸地下廠房的計(jì)算分析也表明，當(dāng)廠房開(kāi)挖到第4層后，頂拱圍巖變形開(kāi)始出現(xiàn)輕微回彈現(xiàn)象，如圖9所示。因此，將來(lái)判斷頂拱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，完全可以依據(jù)頂拱變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估。

e.如果將整個(gè)廠房洞室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化看成一個(gè)桿系體，則其拱座部位(即圖7中的鉸鏈)是較為關(guān)鍵部位，該部位穩(wěn)定性良好則可以確保洞室頂拱穩(wěn)定，從而為高邊墻穩(wěn)定奠定基礎(chǔ)。從這一角度看，考慮烏東德地下廠房拱座開(kāi)挖后存在一定的應(yīng)力集中(見(jiàn)圖10)，故其拱座采用適當(dāng)?shù)腻^索支護(hù)設(shè)計(jì)是較為穩(wěn)妥的。這樣可以有效抑制洞室下臥開(kāi)挖過(guò)程中拱座應(yīng)力集中導(dǎo)致的圍巖損傷松弛和劣化，即松弛—抑制。

圖7 基于桿系結(jié)構(gòu)的頂拱變形模式

圖8 拉西瓦地下廠房頂拱小幅回彈現(xiàn)象

圖9 第4層開(kāi)挖后頂拱局部回彈現(xiàn)象(不考慮前期變形總量)

圖10 左岸廠房開(kāi)挖導(dǎo)致的拱座應(yīng)力集中現(xiàn)象

f.基于地下工程圍巖支護(hù)的松弛抑制思想，對(duì)廠房頂拱角礫巖區(qū)域進(jìn)行掛網(wǎng)噴混凝土、1m×1m間距錨桿支護(hù)，并設(shè)置3m×3m的錨桿，可實(shí)現(xiàn)從表面到深部的圍巖整體支護(hù)。考慮洞室長(zhǎng)期穩(wěn)定性的需要，錨索深度應(yīng)該達(dá)到35m左右(即1倍廠房跨度)，從而形成一個(gè)深度30m左右的加固承載拱(其實(shí)目前多個(gè)地下廠房高邊墻錨索長(zhǎng)度約30m左右也是符合這一認(rèn)識(shí)的)。然而，考慮到B類角礫巖本身與砂漿握裹能力可能不足，以及頂拱錨索的錨固段注漿飽滿度難以控制的困難，一方面應(yīng)降低預(yù)應(yīng)力錨索的鎖定噸位，另一方面建議考慮壓力分散型錨索或低預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)黏結(jié)錨索，從而避免頂拱角礫巖深部存在較大的拉力區(qū)。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

4.1 監(jiān)測(cè)儀器設(shè)置和數(shù)據(jù)成果

根據(jù)主廠房開(kāi)挖所揭露的地質(zhì)缺陷及不良地質(zhì)體情況，在相應(yīng)部位布置了一定數(shù)量的多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)，主要分布在主廠房拱頂、拱座、邊墻等部位，安裝埋設(shè)最早的儀器是位于6號(hào)機(jī)頂拱的B類角礫巖區(qū)的多點(diǎn)位移計(jì)，2013年5月3日取得了基準(zhǔn)值。典型監(jiān)測(cè)儀器過(guò)程見(jiàn)表5～表7。

表5 左岸主廠房B類角礫巖區(qū)域多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)值變化情況統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

表6 左岸主廠房B類角礫巖區(qū)域錨桿應(yīng)力計(jì)測(cè)值統(tǒng)計(jì)

表7 左岸主廠房B類角礫巖區(qū)域錨索測(cè)力計(jì)(1500kN)測(cè)值統(tǒng)計(jì)

4.2 數(shù)據(jù)分析

a. B類角礫巖區(qū)域多點(diǎn)位移計(jì)當(dāng)前孔口累積位移在0.22～65.58mm(M18ZCLX，下游邊墻B類角礫巖區(qū)域，YC=1+245.00，高程834.50m)之間，錨桿應(yīng)力計(jì)當(dāng)前應(yīng)力值在-68.37～374.20MPa(R15ZCLX，下游邊墻B類角礫巖區(qū)域，YC=1+259.85，高程842.79m)之間，監(jiān)測(cè)錨索(設(shè)計(jì)值1500kN)當(dāng)前錨固力在1409.3～1692.9kN(MS06ZCKT，上游拱部B類角礫巖，YC=1+279.75，高程850.87m)之間。

b.圍巖變形大于30mm的有兩處，5號(hào)機(jī)下游邊墻B類角礫巖區(qū)域(M18ZCLX,YC=1+245.00，高程834.50m)當(dāng)前圍巖變形最大為65.58mm，變形主要發(fā)生在第Ⅳ層及第Ⅶ層開(kāi)挖期間，圍巖發(fā)生較明顯突變，變形增量分別為14.55mm和11.33mm，第Ⅶ～Ⅸ層開(kāi)挖期間表現(xiàn)為持續(xù)變形。目前該斷面圍巖基本穩(wěn)定。該部位附近的圍巖變形(M19ZCLX，YC=1+260.00，高程834.50m)主要發(fā)生在第Ⅳ層和第Ⅴ層開(kāi)挖期間，變形增量分別為12.69mm和9.72mm，圍巖變形以開(kāi)挖引起的突變?yōu)橹鳎?dāng)開(kāi)挖結(jié)束后，變形迅速趨于穩(wěn)定，目前該部位變形基本收斂(見(jiàn)圖11～圖12)。

圖11 YC=1+245.00m，高程834.50m處圍巖典型多點(diǎn)位移計(jì)過(guò)程線

c.錨桿應(yīng)力大于200MPa的主要分布在上游邊墻B類角礫巖區(qū)域和下游邊墻B類角礫巖區(qū)域。上游邊墻B類角礫巖區(qū)域錨桿應(yīng)力(R12ZCLX)在開(kāi)挖期間應(yīng)力一直持續(xù)增長(zhǎng)，開(kāi)挖完成后趨于平穩(wěn)。下游邊墻B類角礫巖區(qū)域錨桿應(yīng)力(R15ZCLX，下游邊墻Yc=1+259.83，高程842.79m)在第Ⅲ～Ⅴ層開(kāi)挖期間變化較大，變化增量分別為140.18MPa、74.16MPa和61.05MPa，開(kāi)挖結(jié)束后應(yīng)力變化平穩(wěn)。從錨桿應(yīng)力變化過(guò)程線可見(jiàn)，錨桿應(yīng)力變化特征與圍巖變形變化特征相似，主要受開(kāi)挖施工影響，以突變?yōu)橹鳎_(kāi)挖完成后測(cè)值迅速趨于穩(wěn)定(見(jiàn)圖13～圖14)。

d.錨索測(cè)力計(jì)當(dāng)前鎖定后損失率在1.0%～6.1%之間變化，各項(xiàng)數(shù)值顯示目前錨索錨固力趨于平穩(wěn)。

圖12 YC=1+260.00，高程834.50m處圍巖典型多點(diǎn)位移計(jì)過(guò)程線

圖13 YC=1+259.85，高程842.79m處典型錨桿應(yīng)力計(jì)過(guò)程線

圖14 YC=1+286.0，高程844.79m處典型錨桿應(yīng)力計(jì)過(guò)程線

4 結(jié) 論

a.上述對(duì)角礫巖單獨(dú)進(jìn)行的強(qiáng)度測(cè)試和數(shù)值分析表明，左岸廠房揭露的B類角礫巖具有相當(dāng)?shù)某休d能力，具有成拱條件，支護(hù)錨桿基本穿過(guò)了角礫巖的施工期屈服區(qū)深度，加之長(zhǎng)度大于35m(即超出了角礫巖的明顯變形區(qū)域和長(zhǎng)期強(qiáng)度劣化區(qū)深度)的預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，可以基本保障頂拱穩(wěn)定。

b.后續(xù)開(kāi)挖期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，結(jié)合復(fù)核數(shù)據(jù)(錨索加強(qiáng)支護(hù)的最小深度)所采取的工程措施可以有效限制圍巖過(guò)量變形以及開(kāi)裂破壞，措施合理可靠，可為類似地下洞室工程的開(kāi)挖支護(hù)提供參考依據(jù)。