海南瓊中抽水蓄能電站地下廠房支護設計

周 飛，童恩飛

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

1 工程概況

海南瓊中抽水蓄能電站(以下簡稱“海蓄電站”)位于海南省瓊中縣境內，樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統、發電廠房及下水庫等4部分組成，安裝3臺單機容量200 MW的可逆式水泵水輪機組，總裝機容量600 MW。地下廠房采用首部式布置，引水系統采用“一洞三機”的聯合供水方式， 尾水系統采用“三機一洞”方式。上水庫正常蓄水位高程567 m，下水庫正常蓄水位高程253 m，機組額定水頭308 m。

海蓄電站為二等大(2)型工程，地下廠房按2級建筑物設計，設計標準按100年一遇洪水設計，500年一遇洪水校核。地震基本烈度為Ⅵ度，設防類別為乙類，永久建筑物采用基本烈度6度作為設計烈度，按基準期50年超越概率10%的地震動參數進行設計。

地下廠房洞室群主要由主廠房、主變洞、母線洞、主變運輸洞、電纜交通洞、高壓電纜平洞、電纜斜井、排風豎井、排水廊道等洞室組成。從發電工況水流方向看，依次平行布置有主廠房、主變洞和尾水閘門室3大洞室。主廠房洞室縱軸線方向為N50.60°E，開挖尺寸為130.5 m×24 m×54.4 m(長×寬×高)；主變洞位于主廠房下游，開挖尺寸為105.8 m×19 m×20.6 m (長×寬×高)，與主廠房洞室之間的巖體厚度為40 m；尾閘室位于主變洞下游25.5 m，開挖尺寸為80.35 m×11 m×26.6 m (長×寬×高)。

2 地下廠房區域地質條件

地下廠房布置于三曲嶺山脊偏西側(下水庫方向)山體內，山體雄厚，地形坡度38°～42°，地表高程600～665 m，頂拱埋深386～402 m，上覆弱風化～新鮮巖體厚350～310 m，洞室圍巖以微風化～新鮮下白堊統鹿母灣組碎屑巖為主，巖性為含礫砂巖、含礫長石石英砂巖，巖石較致密堅硬，力學強度較高，微風化～新鮮巖石的飽和抗壓強度平均值大于60 MPa。據平硐、鉆孔資料，地下廠房布置區巖體透水性微弱，地質構造較簡單，無規模較大的斷層分布，巖體完整性較好，圍巖巖石質量指標RQD為70%以上，且廠房布置區分布小型斷層，局部節理裂隙較發育，結構面發育方向以NNW、NEE向及NW向為主，多為中、陡傾角，緩傾角節理整體發育較弱，但局部相對較發育密集，結構面為Ⅲ級及以下斷裂結構面，少數延伸較長。

地下廠房區小型斷層、巖脈及節理裂隙密集部位圍巖類別為Ⅳ1類，約占整個洞室的6%，其他部位圍巖類別以Ⅲ類為主，Ⅲ1、Ⅲ2類圍巖約占整個洞室的80%，Ⅱ類圍巖約占整個洞室的14%。

圖2 地下廠房錨桿和錨索布置

3 圍巖總體穩定性分析

地下廠房支護設計采用以工程類比法為主、理論計算為輔的設計方法[1]，根據規范、工程地質條件和類似工程的建設經驗初擬系統支護形式和參數，通過三維有限元計算進行地下廠房圍巖穩定性分析，驗證圍巖的穩定性和支護的合理性和有效性，并對特殊部位提出專門的支護處理措施。地下廠房及主變洞初擬系統支護參數：

主廠房頂拱及邊墻均采用錨噴支護，錨桿Ф25@3.0 m×1.5 m、桿長L=5 m/7 m相間布置；頂拱噴鋼纖維混凝土150 mm；邊墻掛網噴混凝土150 mm。

主變洞頂拱及邊墻均采用錨噴支護，錨桿Ф25@3.0 m×1.5 m、L=4 m/7 m相間布置；頂拱噴鋼纖維混凝土150 mm；邊墻掛網噴混凝土150 mm。

主廠房與主變洞之間布置2排預應力對穿錨索，張拉力T=2 000 kN、@6.0 m×6.0 m、L=40 m。

根據地形、地質資料及實測地應力成果，通過有限元計算反演回歸，擬合出了三維初始地應力場；在此基礎上，結合廠區的地形地質條件、巖體結構、圍巖物理力學特性和地應力特征，建立相應的力學分析模型，對施工期(含毛洞和支護工況)進行了洞室穩定性及支護計算分析，對圍巖參數進行了敏感性分析，得到了圍巖的變形和應力分布規律，給出了錨桿應力分布范圍，描繪了圍巖屈服區的分布情況，從而論證開挖方式和支護參數的合理性。

3.1 變形分析成果

①～③機軸線剖面監測點布置示意見圖1。圖中，Ⅰ～Ⅶ為開挖順序；1～13為位移計。地下廠房錨桿和錨索布置見圖2。

圖1 ①～③機軸線剖面監測點布置示意

監測結果表明，有支護開挖，在斷層影響區域及開挖區斷層出露位置變形相對較大，洞室邊墻圍巖最大水平位移為5.98 cm，該變形最大值均發生在主變室受F48和F40切割的巖體部位。除此之外，圍巖變形一般小于4.0 cm。從變形角度看，自重應力場作用下有支護開挖洞室圍巖的變形量基本處于可控范圍內。洞室周邊圍巖出現了第三主拉應力，最大值達0.95 MPa，破壞區域主要集中在斷層出露巖體中。洞室圍巖的塑性區分布主要集中在主廠房上游邊墻和下游邊墻中。

綜上，海蓄電站地下洞室圍巖在有支護情況下整體安全穩定性較好，地下廠房及主變洞初擬系統支護參數合理。斷層影響區域等局部安全穩定性較差，需要結合施工開挖揭露實際地質情況對其進行進一步處理。

3.2 圍巖局部穩定性分析

根據主廠房第Ⅰ層開挖地質情況，主要揭露有4條斷層及2組節理，性狀描述如下。

3.2.1 斷層

(1)fc1。出露于主廠房樁號CZ0+089.5～CZ0+095.0范圍，產狀N80°E、SE∠80°～85°，斷層面平直，破碎帶寬度約1～3 cm，破碎帶的物質成分為灰白色泥、巖石碎片及巖屑，斷層影響帶寬約10～20 cm，為正斷層性質，斷層帶未見滴水，但斷層泥較濕潤。

(2)f42。出露于主廠房樁號CZ0+095附近，產狀N20°W、NE∠87°，斷層面較平直，破碎帶寬度約2～10 cm，影響帶寬50～150 cm，破碎帶由巖屑、斷層泥組成，膠結差。

(3)F48。出露于主廠房樁號CZ0+002～CZ0+030、高程170～217 m范圍，沿頂拱至基礎底部環形斜切整個廠房，產狀N86°E、SE∠60°～75°，斷面平直光滑，破碎帶寬10～65 cm，充填巖石碎塊碎屑夾灰白色泥，膠結較差，影響破碎帶0～300 cm，在廠房上下游墻局部產生掉塊，斷層面局部見傾向擦痕，示逆斷層性質，錯距不明，屬Ⅲ級結構面。

(4)f22。出露于主廠房樁號CZ0+005～CZ0-020范圍，產狀N15°W、NE∠80°，斷層破碎帶寬1～10 cm，影響帶寬小于0.5 m，破碎帶由巖屑、斷層泥組成，膠結差。

3.2.2 節理

(1)J1。分布于整個主廠房區，為主廠房控制性節理，產狀N30°W/NE∠80°，節理面平直，微張，張開寬度約0.1～0.2 cm，主要充填巖屑，局部有灰白色的泥。

(2)J2。分布于整個主廠房區，為順層向節理，產狀N60°E/SE∠30°～45°，節理面平直，近閉合，附少量巖屑，受紋理控制。

3.2.3 塊體穩定分析

運用Unwedge3.0和Dips程序，結合主廠房第Ⅰ層開挖成形地質素描圖，將特定塊體(斷層與斷層組合)、半特定塊體(斷層與節理組合)及隨機塊體(節理與節理組合)進行系統分析，分析其可能出現的位置，對各類塊體按主廠房頂拱及邊墻進行篩分，控制結構面組合的隨機性。分析成果如下：

(1) 主廠房位置基本不存在特定的大規模不穩定塊體，多為沿斷層出露位置的半特定塊體及節理出露處的隨機塊體。

(2)fc1斷層沿線的半特定塊體主要位于上游壁拱角及邊墻；F48斷層沿線的半特定塊體主要位于上下游拱角及上下游邊墻；f22及f42斷層沿線的半特定塊體主要位于上下游邊墻。J1、J2節理形成的隨機塊體主要位于下游邊墻及上游拱角，J2節理自身受紋理影響形成的掉塊則隨機出現。

(3)主廠房頂拱及邊墻多為小規模的不穩定塊體，局部塊體較大，為半特定或隨機塊體。根據主廠房第Ⅰ層開挖成形邊墻節理的出露情況復核，用5 m/7 m長系統錨桿即可鎖定塊體，局部不穩定塊體部位錨桿長度采用9 m。

4 施工處理措施

在整個開挖施工過程中，為保證施工安全及施工質量，重視關鍵部位的施工程序，如主廠房頂拱(Ⅰ層)開挖，采用“先導洞后擴挖”的施工方法，即先開挖廠房中導洞，頂拱預留2 m保護層，頂拱擴挖支護完成后，上下游側錯距30 m擴挖跟進。利用廠房探硐及上層排水廊道推測出主廠房可能出露的結構面產狀，及時調整支護措施。

充分利用監測手段，采用“設計、施工、監測、修正設計”的原則進行支護設計。隨時監測圍巖的變形量、變形速率、錨桿應力等監測數據，以判別圍巖的穩定性，并針對具體情況采取有效支護措施[2]。

(1)交叉洞口的加強支護。與主廠房洞室交岔部位較多，根據開挖面與結構面組合，易形成潛在的不穩定塊體，若不及時支護，將致使塑性圈及松動圈范圍不斷加大，進而造成松動圈內巖塊的失穩，需采取加強支護措施。在交叉洞室起始段開挖輪廓線以外40～60 cm范圍，按1 m間距，設1～2排鎖口錨桿后，再采用光面爆破進行開挖，同時控制光面爆破技術。

(2)斷層處理。斷層影響區域等局部安全穩定性較差，采用短進尺、弱爆破、多循環、勤支護的施工措施，加強施工過程中的排水，并將斷層內和節理密集帶內淤泥、破碎巖塊等清除干凈，清除一定深度后，噴混凝土回填，并加密鋼筋網，采用長砂漿錨桿將斷層上下盤巖體錨固在一起。

(3)不穩定塊體處理。根據主廠房塊體穩定分析成果，采用砂漿錨桿對主廠房頂部和下游邊墻部位小規模的不穩定塊體進行有針對性的隨機錨固處理。

經過以上分析及處理結果，主廠房洞室圍巖支護參數為：

主廠房頂拱。錨桿Ф25@1.5 m×1.5 m、L=5 m/ 7 m相間布置，拱腳部位3排漲殼式預應力中空錨桿L=9 m、T=100 kN；樁號CZ0+025～CZ0+037段(F48斷層出露部位)系統錨桿間排距調整為1.2 m；副廠房段錨桿Ф25、L=7 m與Ф28、L=9 m按@1.5 m×1.5 m相間布置。掛網噴C25混凝土，厚150 mm。

主廠房上游邊墻。錨桿Ф25@1.5 m×1.5 m、L=5 m/7 m相間布置；樁號CZ0±000～CZ0-028段、高程213.9 m及拱座部位預應力端錨索T=2 000 kN、L=25 m、@4.5 m；巖錨梁上下方各2排漲殼式預應力中空錨桿L=9 m、T=100 kN。掛網噴C25混凝土，厚150 mm。

主廠房下游邊墻。錨桿Ф25/28@1.5 m×1.5 m、L=7 m/9 m相間布置；巖錨梁上下方各2排漲殼式預應力中空錨桿L=9 m、T=100 kN。掛網噴C25混凝土，厚150 mm。主廠房與主變洞預應力對穿錨索2排(高程213.90 m及巖錨梁以下)，T=2 000 kN、L=40 m、@4.5 m×4.5 m。

主廠房發電機層以下。錨桿Ф25@1.5 m×1.5 m、L=5 m。掛網噴C25混凝土，厚150 mm。

主廠房左右端墻。錨桿Ф25@1.5 m×1.5 m、L=5 m/7 m相間布置。掛網噴C25混凝土，厚150 mm。

地下廠房于2014年4月1日開始開挖，2015年11月20日開挖完成，實際總體施工進度近20個月。開挖完成時，頂拱最大位移為2.3 mm，上游邊墻最大位移為26.26 mm，下游邊墻最大位移為3.04 mm，錨桿應力計最大值為309.91 MPa，測值變化受地下廠房分層開挖爆破影響較明顯，變形速率小幅增長；開挖爆破面遠離后，數據變化趨勢一般會有收斂，表層位移一般較深層位移大，數值變形較大處巖體被F48和f22斷層分割，錨桿應力計月度變化速率最大為15.38 MPa/月，測值變化較大部位有F48斷層通過，目前各測值平穩，說明圍巖變形已收斂，地下廠房洞室圍巖變形無異常。

5 結 語

海蓄電站地下廠房工程地質條件復雜，巖體節理發育，洞室跨度大，邊墻高。通過大量的研究及分析對比，采取合理的支護參數和形式是保證地下廠房安全、穩定的前提。在開挖過程中，充分利用監測手段，隨時監測圍巖的變形量、變形速率、錨桿應力等，判別圍巖的穩定性，及時修正設計支護參數，是保證施工安全和評價圍巖穩定的重要措施。海蓄電站地下廠房支護設計，可為類似工程提供參考。