青藏高原某水電站地下廠房開挖方案比選研究

楊偉強,巨廣宏,王立志

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

0 引言

傳統的水電站選址在一定程度上取決于設計師的工程經驗和技術水平,易受其主觀因素影響,對評價各類不確定因素不能得到理性判斷。近年來隨著黃河上游復雜地區水電站工程的規劃建設,工程地質方案比選地下廠房開挖中發揮越來越重要的作用。

國內外學者就地下廠房選址問題進行了廣泛研究,并取得豐碩成果。馮明權等[1]通過選擇影響彭水水電站兩大主要地質因素：軟弱夾層和巖溶,通過對比廠房首部、中部、尾部方案軸線與地質構造線關系以及巖溶位置,為方案選擇提供了準確的依據；鮑利發[2]等結合地質條件（節理、地應力、圍巖穩定）和水工布置特點（樞紐布置、運行要求）,綜合比選并敲定適合卡拉水電站特定環境的地下廠房位置；劉暢等[3]發明了一種水電站地下廠房洞室選址快速評測方法,通過對影響選址的因素進行匯總、分類并賦予分值,根據分值對各方案進行優劣評測；李仲奎等[4]從高地應力、斷層及節理切割等不理組合的角度出發,對錦屏一級水電站地下廠房出現的施工問題加以分析,并針對問題對若干對策加以探討；徐奴文等[5]運用離散元顆粒流分析地下廠房開挖過程中控制性結構面對圍巖穩定性的影響,并結合微震檢測技術加以驗證,以此來評價廠房圍巖穩定性；王頌等[6]以地應力和山體地形為基礎,采用有限元分析方法模擬廠房開挖支護,對圍巖穩定性從塑性變形、應力分布及位移三個角度進行分析。整體上,從目前取得的成果上,水電站地下廠房在選址問題、理論研究、穩定性分析、評價方法、以及治理措施等方面取得了相當大的進展。

本文以青海某水電站地下廠房選址為研究對象,采用現場調查和數值分析相結合的方法,以有限元分析與塊體分析理論為基礎,從工程區域地質條件、巖體質量、地應力、圍巖穩定性等方面展開對A方案地下廠房、B方案地下廠房分析,對廠房圍巖穩定性做出合理的評價。

1 工程地質環境

青海某水電站廠房區峽谷段山高坡陡,岸坡呈現上游陡于下游、右岸陡于左岸。壩址區左岸斜坡巖性為變質砂巖；右岸上游為二長巖、下游為變質砂巖。

壩址兩岸二長巖及變質砂巖中均存在基巖裂隙水,主要受大氣降水及遠山補給,排泄于黃河。經壓水試驗表明弱風化以下巖體以弱～微透水為主。

水電站壩址區最大主應力近水平,方向近E-W；測深范圍內天然應力場量值約為σ1=5.88 MPa～8.99 MPa、σ2=4.68 MPa～5.17 MPa、σ3=3.42 MPa～4.65 MPa,并有隨深度增加而增加的趨勢。壩址區天然地應力場由自重應力和構造殘余應力疊加而成,受巖體自重、構造應力、河谷下切剝蝕和卸荷影響。

2 地下廠房洞室概況

2.1 A方案地下廠房

A方案地下廠房系統由主廠房和主變室以及相應引水發電建筑物組成。該方案主要洞室（主廠房和主變室）均位于右岸變質砂巖內,主要洞室長軸方位為NW325°。該方案靠近河岸,其主要洞室（主廠房、主變室）水平埋深和垂直埋深較小,垂直埋深68 m～208 m、水平埋深36 m～256 m。

2.2 B方案地下廠房

B方案地下廠房系統方案主要洞室包括主廠房、主變室和調壓井,該方案主要洞室均位于左岸變質砂巖內,主要洞室軸線方位180°（或0°）。該方案主要洞室埋深大,垂直埋深220 m～291 m,水平埋深為116 m～347 m。

3 方案比選

理想地下廠房洞室應具備以下條件：（1）地表及地下無不良地質災害；（2）地質構造簡單且單一；（3）巖體堅硬完整；（4）地下水影響小；（5）無高地應力地段。其中地下洞室的圍巖穩定性是根本問題。

基于上述比選因素及圍巖穩定分析,對A方案地下廠房和B方案地下廠房進行比選及研究。

3.1 基本地質條件

（1）地形地貌及水文地質

A方案地下廠房方案的廠房區山體單薄,被上下游溝谷深切,由于相距較遠,同時削弱遠山地下水大規模補給,對廠房區影響小；B方案地下廠房方案雖被下游溝谷切割,但切割深度小,山體雄厚,遠山地下水補給較好。從上述角度,A方案地下廠房優于B方案地下廠房。

（2）巖體結構

廠房區結構面總體上不發育。微～新洞段內,2個方案廠房區的絕大多數勘探洞段的巖體結構在厚層（塊狀）結構以上,其中A方案地下廠房略多（91.31%）；B方案地下廠房為89.66%；極少數洞段內均有互層狀（鑲嵌）結構巖體出現（見表1）。

表1 巖體結構占比統計表

3.2 巖體質量

微～新巖體洞段中,2種方案的巖體質量均在Ⅲ1類以上。其中A方案地下廠房為82%,B方案最少僅為66%（見表2）。

表2 巖體質量占比統計表

3.3 地應力

為詳細分析各方案地下廠房區巖體的天然應力場,本文基于區域及壩址區地應力場實測與研究成果,采用數值計算方法,反演分析地下廠房區地應力場特征,為地下廠房區圍巖質量評價、圍巖穩定性分析提供基礎。

采用有限元軟件FLAC3 D以地下廠房系統為中心構建地下廠房區天然應力計算幾何模型,模型以東西為X軸、長355 m,南北為Y軸、長425 m,Z軸垂直向上,下取至2900 m高程,見圖1。

圖1 地應力反演數值計算模型

巖體物理力學性質見表3,參數均取自實測資料。

表3 巖體力學參數選取

分別對2種方案進行地應力場反演,結果見圖2。

圖2 天然應力場反演

計算結果反映了各方案洞群區開挖前的天然應力場狀態。計算結果顯示,A方案地下廠房天然應力最大主應力最大可達14 MPa～15 MPa；B方案地下廠房天然應力最大主應力最大可達19 MPa～20 MPa。

3.4 圍巖穩定性

在前述天然應力場反演的基礎上,開展地下洞群及其圍巖穩定性評價。計算基于天然應力場計算模型（圖2）,并根據設計方案,構建新的計算模型（圖3）,以計算開挖條件下各方案地下廠房系統主要洞室的圍巖應力、變形及穩定性。

圖3 開挖數值計算模型

根據計算,2種方案地下廠房洞室群開挖圍巖應力、應變及穩定性見圖4、圖5、圖6。

圖4 最大主應力橫剖面

圖5 圍巖變形量及位移矢量圖橫剖面

圖6 圍巖塑性區橫剖面

A方案圍巖變形量最大1.05 cm,B方案變形量較大,最大2.7 cm；2個方案均無拉應力產生,這對洞室穩定性是有利的,A方案圍巖最大主應力為15.41 MPa,而B方案圍巖最大主應力較高,量值最大為19.28 MPa；對于圍巖塑性破壞區,B方案塑性區厚度和塑性破壞單元數量均明顯大于A方案。

4 結論

本文以青海某水電站地下廠房圍巖穩定性為研究背景,對比選方案進行現場調查和數值分析,得出以下結論：

（1）比選方案中,2個廠房系統埋深較大,屬深埋地下洞室,較B方案而言,A方案埋深相對較小。

（2）廠房區地應力量值較高,屬中等偏高地應力場。其中B方案天然地應力較高,洞室開挖后應力重分布導致圍巖應力較高,影響洞室穩定性。

（3）開挖條件下B方案圍巖應力重分布程度最高,重分布圍巖應力最高、圍巖變形最大、塑性區最厚。

（4）綜合工程地質條件和圍巖穩定性,地下廠房系統2個比較方案均具備成洞條件。相較而言,A方案最優、B方案相對較差。