大型水電站地下洞室穩(wěn)定控制設計研究與實踐

楊啟貴　周述達　周亞峰　陳舞

摘要：針對地下工程建設面臨的地下洞室?guī)r溶強發(fā)育、軟巖分布范圍廣等突出工程地質(zhì)問題，以水布埡、構(gòu)皮灘、彭水等3個水電站地下工程為依托，系統(tǒng)開展了軟硬相間地層、軟巖及強巖溶等地質(zhì)條件下大型地下洞室（群）關鍵技術問題研究。在設計實踐中，提出了地下洞室扶壁巖錨復合式吊車梁結(jié)構(gòu)型式“原巖隔墩支撐”結(jié)構(gòu)技術、“超前置換封閉保壓”的軟巖處理技術、廠房縱軸線與巖層走向呈小交角甚至零度角布置的設計理念以及根據(jù)洞周圍巖塑性區(qū)確定的“分界、分序、分層”的巖溶處理新技術。研究成果有效解決了復雜地質(zhì)條件下大型地下洞室布置及圍巖穩(wěn)定問題，相關工程均已安全穩(wěn)定運行，可為類似工程設計和穩(wěn)定性評價提供一定的理論、方法及技術支撐。

關鍵詞：水電站地下洞室; 洞室穩(wěn)定; 地下廠房布置; 軟巖; 巖溶

中圖法分類號： TV61;TV74

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.014

0引 言

目前水電站地下洞室正朝著廠房大跨度、高邊墻的方向發(fā)展，遭遇的地質(zhì)條件與賦存環(huán)境也越來越復雜。如大朝山、瑯琊山、漫灣二期、二灘、明譚、索風營及小浪底等水電站均具有軟巖及軟硬相間巖層地質(zhì)特點;索風營、思林、糯租、魯布革、坪頭及烏江渡擴機等地下水電站也均分布著規(guī)模不一的巖溶系統(tǒng)等。因此，洞室軟巖、巖溶、不利構(gòu)造、高應力等復雜條件下的洞室穩(wěn)定控制已成為大型地下水電站的關鍵技術難題。目前，常規(guī)的處理措施大多是基于工程經(jīng)驗及設計規(guī)范采取系統(tǒng)支護、預應力錨索、固結(jié)灌漿及置換回填等措施。如二灘水電站在第一副廠房外端墻到6號機組部位，分布有綠泥石化玄武巖軟弱巖體，主要采取短進尺、弱爆破、及時噴錨支護等常規(guī)支護手段處理。明譚水電站洞室區(qū)域有7條剪切破碎帶或斷層，其主要處理措施是頂拱剪切帶提前用混凝土或砂漿置換、用預應力錨索進行預加固。索風營地下電站主要采取噴混凝土支護、局部掛網(wǎng)及隨機預應力錨索等支護措施處理圍巖5條層間錯動帶等。然而，隨著水電站規(guī)模及裝機容量的擴大，常規(guī)的處理措施已經(jīng)難以滿足工程建設的需求。水布埡水電站為軟硬巖互層，巖性差，軟巖比例高達38.4%，為同類工程之最;構(gòu)皮灘及彭水水電站巖溶強發(fā)育、巖溶系統(tǒng)規(guī)模巨大，其他電站工程中也難以見到。因此，本文以水布埡、構(gòu)皮灘、彭水3個水電站工程為例，闡述在大型地下電站洞室建設過程中提出的穩(wěn)定控制設計新理念、穩(wěn)定控制的新結(jié)構(gòu)新技術以及采取的洞室穩(wěn)定分析的集成創(chuàng)新方法，以便為類似復雜條件下大型地下電站洞室的設計和穩(wěn)定性評價提供一定的理論、方法及技術支撐。

1軟硬相間復雜地層大型地下廠房工程關鍵技術研究

1.1工程概況

受樞紐布置及地形地質(zhì)條件限制，水布埡水電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置于壩址NE30°河段的右岸山體內(nèi)，地下廠房位于NE30°的水布埡峽谷河段右岸岸坡、張性大斷層F2、壩子溝及馬崖高邊坡所圍成的四邊巖體中，且有F3張性大斷層貫穿其中，地下廠房洞周圍巖呈軟硬巖互層狀。軟巖在廠房邊墻中占總面積的38.4%，且剪切帶發(fā)育，規(guī)模大，巖石力學性狀差[1-5]。為解決上述軟硬相間復雜地層問題[4-7]，對洞室群布置及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、軟硬處理措施開展了研究，有效解決了水布埡地下電站面臨的難題。

1.2扶壁巖錨復合式吊車梁

斜巖臺的完整性和承載能力將直接影響巖錨梁的整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)受力。水布埡地下廠房吊車梁軌頂高程為220.00 m，廠內(nèi)安裝有2臺600 t橋式起重機，最大輪壓75 t，軌道中心外懸度60 cm。上游邊墻棲霞組第三段（P1q3）軟巖頂板高程為207～221 m，下游邊墻軟巖頂板高程為210～223 m。斜巖臺下部軟巖范圍大且分布高程變化大，因此，若采用常規(guī)巖錨梁吊車梁形式，斜巖臺承載能力不僅大大降低，且沉降變形不一致，影響圍巖穩(wěn)定?；诖?，考慮利用混凝土支撐體作為吊車梁支承基礎，提出一種扶壁巖錨復合式吊車梁的結(jié)構(gòu)型式（見圖1），即對上部軟巖（P1q3）采取混凝土置換圈梁式超前軟巖封閉支撐體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)兼具巖錨吊車梁和墻（柱）吊車梁的優(yōu)點，通過用混凝土替代軟巖巖層，提高了圍巖的完整性和剛度，能夠保證上下巖層間力的傳遞，并利用軟巖的圍壓效應，提高軟巖的承壓性能，使得圍巖變形得到了有效控制。現(xiàn)場橋機靜載及動載試驗測試結(jié)果表明：張拉錨桿最大應力增量為5 MPa，梁體與巖壁間縫面最大開度為0.06 mm，且卸荷后迅速閉合。梁體及支撐墻中典型裂縫的增量為0.02 mm，梁體及支撐墻外觀變形量小于0.9 mm，巖體深部變形增量最大0.02 mm，梁體、支撐墻及封閉支撐體結(jié)構(gòu)中鋼筋應力水平較低等。測試結(jié)果有效驗證了扶壁巖錨復合式吊車梁的結(jié)構(gòu)型式是合理、安全的。

1.3地下廠房軟巖處理措施研究

1.3.1“超前置換封閉保壓”方案

水布埡主廠房邊墻中上部分布棲霞組第三段（P1q3）巖層中，7 m范圍內(nèi)集中發(fā)育4條剪切帶，單條剪切帶厚度0.1～1.0 m，累計厚度超過3.0 m，主剪切泥化帶巖體的變形模量為0.1～0.2 GPa。常規(guī)處理方案是在主廠房開挖到對應高程后，對剪切帶進行處理。顯然開挖臨空后軟巖無側(cè)壓，將出現(xiàn)明顯的壓縮擠出變形，導致廠房頂拱及拱座失穩(wěn)。基于“圍壓效應”原理，提出一種“超前置換封閉保壓”處理方法（見圖1），即在主廠房開挖前，沿主廠房周邊邊墻，在剪切帶集中發(fā)育帶，開挖置換洞，分段對軟巖進行混凝土置換封閉保壓，形成混凝土“圈梁”預先封閉剪切帶，并進行回填灌漿及錨桿、預應力錨索加固。

為驗證“超前置換封閉保壓”處理方法的有效性，采用大型通用巖土分析軟件FLAC3D對置換與不置換的棲霞組第三段（P1q3）巖層進行數(shù)值模擬分析。開挖支護模型及置換模擬步序如圖2所示。計算結(jié)果表明，P1q3段軟巖采用混凝土置換、下部巖臺表面回填混凝土后，有效減小了相應部位側(cè)墻及隔墩頂面的變形。其中，P1q3段巖層朝主廠房軸線方向的最大水平位移分別由40.07 mm（上游）、45.48 mm（下游）減少至31.12，35.07 mm;巖臺頂面的最大回彈變形由110.9 mm減少至50.18 mm，減小幅度達22%～55%。主廠房洞周其他部位的開挖位移值也相應降低，約減小了3.0～10.0 mm。

采用軟巖置換及支護措施后，主廠房圍巖大部分區(qū)域的應力狀態(tài)與應力量值變化不大，但側(cè)墻部位的拉應力區(qū)分布范圍明顯減少。上部軟巖置換與不置換相比，引水隧洞與主廠房上游側(cè)墻交接部位，母線洞、尾水隧洞與主廠房下游側(cè)墻交匯區(qū)域，塑性區(qū)的延伸范圍減少，主廠房頂拱、底板以及巖臺等部位的塑性區(qū)則變化不明顯。

該方法保證了廠房上部圍巖的剛度與完整性以及軟巖上下層巖體之間的傳力，有效防止了軟巖壓縮擠出變形，保證了軟巖巖層的原始受力狀態(tài)，維持了軟巖的承載能力。

1.3.2“原巖隔墩支撐”結(jié)構(gòu)方案

廠房機窩及尾水管部位的棲霞組第1段（P1q1）及馬鞍組（P1ma）、黃龍組（C2h）、寫經(jīng)寺（D3x）等地層，總厚度20余m。馬鞍組（P1ma）和黃龍組（C2h）剪切帶發(fā)育。其中的黃龍剪切帶（F205）厚度達5～12 m，主要由碎裂巖構(gòu)成，膠結(jié)差，強度低，整體巖石類別為Ⅳ～Ⅴ類。廠房全斷面挖至底板時，圍巖變形大，底板回彈隆起，洞室安全難以保證。基于“能量平衡”和“圍壓效應”原理，提出一種“保留支撐隔墩并進行超前綜合加固”的綜合處理方法，即保留軟巖支撐隔墩，并對其進行超前固結(jié)灌漿、錨筋樁和鋼筋混凝土壓重板等超前綜合加固處理（見圖3），充分利用隔墩巖體的剛度及強度來限制邊墻變形和軟巖底板回彈，保證主廠房洞室穩(wěn)定。

數(shù)值計算結(jié)果表明：保留“原巖隔墩”后，上、下游側(cè)墻水平位移明顯減少，較不保留情況減少了24.9%，洞周各關鍵點位移降低了15.0%～25.0%。同時主廠房與引水隧洞、尾水隧洞交叉口的應力發(fā)生明顯改善，塑性區(qū)深度明顯減小。上述研究成果表明，保留尾水管間巖墩、進行超前固結(jié)灌漿、實施錨樁加固并設置混凝土壓重板的綜合處理措施是有效的。

2巖溶強發(fā)育地區(qū)大型地下廠房工程關鍵技術研究

2.1工程概況

（1） 構(gòu)皮灘水電站。

構(gòu)皮灘水電站單機容量600 MW，共5臺機組，總裝機容量3 000 MW。單機額定流量375 m3/s，電站額定水頭175.5 m。電站具有單機容量和額定水頭大、輸水線路長、尾水變幅大等特點。主廠房局部地段有規(guī)模較大的巖溶洞穴發(fā)育（見圖4），主要有W24巖溶系統(tǒng)的主干管道及其旁側(cè)沿NW、NWW向斷裂發(fā)育的巖溶寬縫、P1m1-1層順層風化溶濾帶（K10）及沿NW斷裂發(fā)育的溶洞K2、K11等，嚴重影響地下廠房洞室群施工[8-12]。

（2） 彭水水電站。

彭水水電站主廠房洞室尺寸為252.0 m×30.0 m×78.5 m（長×寬×高），主廠房上游側(cè)的O1n5巖層中發(fā)育有KW51巖溶系統(tǒng)，主要沿C4夾層順層發(fā)育，巖溶規(guī)模較大，地下水豐富。在主廠房下游側(cè)的ε3m2-2巖層發(fā)育有W84熱水巖溶系統(tǒng)，屬深循環(huán)熱水與淺層水混合巖溶系統(tǒng)，順層發(fā)育，巖溶規(guī)模較大，地下水豐富（見圖5）。建設過程中面臨巖溶系統(tǒng)處理、地下洞室群布置、順層陡傾巖層穩(wěn)定等重大難題[13-16]。

2.2廠房縱軸線與巖層走向小交角設計研究

巖溶系統(tǒng)常規(guī)處理方式通常分為兩種：規(guī)避巖溶和采取工程措施處理巖溶。彭水水電站廠房中KW51及W84最大洞穴達數(shù)萬方，W84中還存在較大的深循環(huán)溫泉，水溫較高，若采取工程措施處理巖溶，代價極高。由于位于陡傾角巖層，巖溶順層發(fā)育，因此，采用規(guī)避巖溶方式，可以較好地避開主要巖溶的影響。根據(jù)SL 266-2014《水電站廠房設計規(guī)范》：洞室軸線宜與圍巖的主要構(gòu)造弱面（斷層、節(jié)理、裂隙、層面等）呈較大的夾角。結(jié)合彭水地下電站廠區(qū)的地質(zhì)條件，當廠房軸線與巖層走向呈較大夾角時，存在局部塊體穩(wěn)定以及巖溶水滲透問題，極不利于廠房的圍巖穩(wěn)定。因此，考慮將廠房軸線與巖層走向呈0°夾角布置，雖然對洞室的開挖、支護及監(jiān)測工作要求有所提高，但能保證廠房洞室群的穩(wěn)定性，且具備較好的防滲條件，經(jīng)濟性較好，彭水水電站主廠房與巖層走向布置如圖6所示。

彭水地下廠房施工中廠房典型的實測變形曲線如圖7所示，廠房洞周圍巖隨著廠房的開挖，逐漸趨于穩(wěn)定，有效驗證了廠房軸線與巖層走向呈0°夾角布置設計的可行性、有效性。

2.3巖溶處理范圍與處理措施研究

構(gòu)皮灘水電站W(wǎng)24巖溶系統(tǒng)揭露區(qū)域分支管道及落水井、塌陷坑槽達17條之多，加分支管道延伸長度超過1 300 m，高差超過130 m，已貫穿以三大洞室為主體的整個大型地下洞室群（見圖8），共穿越引水發(fā)電系統(tǒng)區(qū)域22條洞室。已揭露溶洞最大斷面為380 m2、最大高度達42.14 m，最大寬度達16 m，巖溶空腔體積達12.3萬m3，汛期最大涌水量達7 000 m3/d，最大突發(fā)涌水超過2萬m3/h，最大突發(fā)涌泥超過3 000 m3/次。洞室周邊巖溶洞穴嚴重影響到洞室的穩(wěn)定，而且處理難度大，周期長。

2.3.1基于塑性區(qū)的巖溶處理范圍確定

以往水電站地下廠房巖溶管道往往憑工程經(jīng)驗進行處理。眾所周知，塑性區(qū)圍巖應力狀態(tài)復雜，所在范圍是安全裕度較低的區(qū)域，也是洞室圍巖重點加固的對象。若塑性區(qū)范圍內(nèi)的巖溶洞穴不進行處理，可能導致該部位的圍巖長期處于應力松弛狀態(tài)，不利于洞室圍巖穩(wěn)定，而處于塑性區(qū)外的巖溶對洞室圍巖的穩(wěn)定性影響較小?；诖?，提出一種基于塑性區(qū)的巖溶處理范圍確定方法，即以巖溶管道是否位于洞周圍巖塑性區(qū)內(nèi)作為標準確定處理范圍（見圖9）。該方法將巖溶管道處理范圍確定原則從工程經(jīng)驗宏觀判斷方法提升到量化判斷方法，為量化巖溶處理范圍提供了理論依據(jù)。

2.3.2巖溶處理措施研究

巖溶洞穴主要采取“分界、分序、分層”清理回填，支撐加固、引排清挖、超前排水、封閉施工、密切追蹤、加強監(jiān)測等措施進行綜合處理。

（1） “分界、分序、分層” 清理回填。

規(guī)模較大的溶洞，優(yōu)先回填處理洞周附近，隨開挖層的支護同步完成，并預留通道，后期處理，如圖10所示。

（2） 支撐加固。

若巖溶鄰近洞室邊墻或出露于邊墻，為防止回填混凝土與裂隙、斷層、層間錯動等不利結(jié)構(gòu)面形成不穩(wěn)定塊體或潛在不穩(wěn)定塊體，根據(jù)溶洞部位和規(guī)模，及時通過錨桿及預應力錨索，采用懸吊加固、支擋加固、梁式加固等方式進行處理。

（3） 引排清挖。

有針對性地布置深孔或超前導孔，使涌水涌泥有控制的釋放。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，按“高水高排，低水低排，就近引排”的原則，將帷幕區(qū)域的巖溶水攔截到廠區(qū)外引排。廠房區(qū)內(nèi)巖溶水通過排水管、預留通道等引至廠房、主變洞、調(diào)壓室、交通洞、排水廊道等引排，避免涌水現(xiàn)象。巖溶系統(tǒng)回填前，對溶洞填充物進行清理，避免涌泥現(xiàn)象。

（4） 超前排水，封閉施工。

利用前期實施的排水廊道、交通洞、主變洞Ⅰ層、主廠房中導洞、施工支洞和W24低高程追挖支洞等，截斷主管道來水，保證地下廠房主要洞室在封閉條件下施工。

（5） 密切追蹤，加強監(jiān)測。

施工期通過“邊施工，邊追探”的施工期勘探方式來密切追蹤探明巖溶系統(tǒng)的分布及發(fā)育情況，并加強監(jiān)測，及時調(diào)整處理方案。

3結(jié) 論

本文依托水布埡、構(gòu)皮灘、彭水3個地下電站工程，闡述了大型地下電站洞室穩(wěn)定控制設計及新技術研究，主要結(jié)論如下：

（1） 創(chuàng)新性地提出了一種利用混凝土支撐體作為吊車梁支承基礎的扶壁巖錨復合式吊車梁的結(jié)構(gòu)型式，該結(jié)構(gòu)兼具巖錨吊車梁和墻（柱）吊車梁的優(yōu)點，解決了邊墻軟硬相間復雜地層引起的巖錨梁沉降變形問題。

（2） 提出了“超前置換封閉保壓”的軟巖處理新技術。根據(jù)“圍壓效應”原理，在廠房開挖之前，通過混凝土置換，在廠房邊墻軟巖部位形成封閉圈梁（置換體），保持軟巖圍壓，維持軟巖的承載能力，解決了地下廠房邊墻軟巖承載及洞室大變形難題。

（3） 提出了“原巖隔墩支撐”結(jié)構(gòu)新技術。根據(jù)“能量平衡”及“能量轉(zhuǎn)移”原理，提出地下廠房下部采用掏槽開挖，保留尾水管間的原巖巖墩，既可降低地下廠房全斷面開挖的高度，限制底板回彈，還可對邊墻起支撐作用，為大跨度、高邊墻地下廠房洞室穩(wěn)定控制提供了一種新的方法。

（4） 當?shù)叵聫S房布置遭遇強巖溶等重大缺陷時，將廠房縱軸線與巖層走向呈小交角、甚至零度角布置的設計理念，突破了現(xiàn)行規(guī)范的限制，增加了地下廠房布置的技術靈活性，提高了電站工程的技術可行性和經(jīng)濟性。彭水地下電站的應用，成功避讓了大型巖溶系統(tǒng)和深循環(huán)溫泉水，解決了地下廠房布置的難題。

（5） 提出了根據(jù)洞周圍巖塑性區(qū)確定巖溶處理范圍，以及“分界、分序、分層”的巖溶處理新技術，實現(xiàn)了巖溶處理范圍確定從定性到定量的跨越，為巖溶等地質(zhì)缺陷處理提供了新標準和新思路。

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（編輯：鄭 毅）