青藏高原某水電站地下廠房開挖方案比選研究

楊偉強(qiáng),巨廣宏,王立志

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

0 引言

傳統(tǒng)的水電站選址在一定程度上取決于設(shè)計師的工程經(jīng)驗和技術(shù)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(fù)雜地區(qū)水電站工程的規(guī)劃建設(shè),工程地質(zhì)方案比選地下廠房開挖中發(fā)揮越來越重要的作用。

國內(nèi)外學(xué)者就地下廠房選址問題進(jìn)行了廣泛研究,并取得豐碩成果。馮明權(quán)等[1]通過選擇影響彭水水電站兩大主要地質(zhì)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(zhì)構(gòu)造線關(guān)系以及巖溶位置,為方案選擇提供了準(zhǔn)確的依據(jù)；鮑利發(fā)[2]等結(jié)合地質(zhì)條件（節(jié)理、地應(yīng)力、圍巖穩(wěn)定）和水工布置特點(diǎn)（樞紐布置、運(yùn)行要求）,綜合比選并敲定適合卡拉水電站特定環(huán)境的地下廠房位置；劉暢等[3]發(fā)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(jìn)行匯總、分類并賦予分值,根據(jù)分值對各方案進(jìn)行優(yōu)劣評測；李仲奎等[4]從高地應(yīng)力、斷層及節(jié)理切割等不理組合的角度出發(fā),對錦屏一級水電站地下廠房出現(xiàn)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(yùn)用離散元顆粒流分析地下廠房開挖過程中控制性結(jié)構(gòu)面對圍巖穩(wěn)定性的影響,并結(jié)合微震檢測技術(shù)加以驗證,以此來評價廠房圍巖穩(wěn)定性；王頌等[6]以地應(yīng)力和山體地形為基礎(chǔ),采用有限元分析方法模擬廠房開挖支護(hù),對圍巖穩(wěn)定性從塑性變形、應(yīng)力分布及位移三個角度進(jìn)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(wěn)定性分析、評價方法、以及治理措施等方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。

本文以青海某水電站地下廠房選址為研究對象,采用現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值分析相結(jié)合的方法,以有限元分析與塊體分析理論為基礎(chǔ),從工程區(qū)域地質(zhì)條件、巖體質(zhì)量、地應(yīng)力、圍巖穩(wěn)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(wěn)定性做出合理的評價。

1 工程地質(zhì)環(huán)境

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

壩址兩岸二長巖及變質(zhì)砂巖中均存在基巖裂隙水,主要受大氣降水及遠(yuǎn)山補(bǔ)給,排泄于黃河。經(jīng)壓水試驗表明弱風(fēng)化以下巖體以弱～微透水為主。

水電站壩址區(qū)最大主應(yīng)力近水平,方向近E-W；測深范圍內(nèi)天然應(yīng)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(qū)天然地應(yīng)力場由自重應(yīng)力和構(gòu)造殘余應(yīng)力疊加而成,受巖體自重、構(gòu)造應(yīng)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(tǒng)由主廠房和主變室以及相應(yīng)引水發(fā)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(zhì)砂巖內(nèi),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(tǒng)方案主要洞室包括主廠房、主變室和調(diào)壓井,該方案主要洞室均位于左岸變質(zhì)砂巖內(nèi),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(yīng)具備以下條件：（1）地表及地下無不良地質(zhì)災(zāi)害；（2）地質(zhì)構(gòu)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(yīng)力地段。其中地下洞室的圍巖穩(wěn)定性是根本問題。

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

3.1 基本地質(zhì)條件

（1）地形地貌及水文地質(zhì)

A方案地下廠房方案的廠房區(qū)山體單薄,被上下游溝谷深切,由于相距較遠(yuǎn),同時削弱遠(yuǎn)山地下水大規(guī)模補(bǔ)給,對廠房區(qū)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(yuǎn)山地下水補(bǔ)給較好。從上述角度,A方案地下廠房優(yōu)于B方案地下廠房。

（2）巖體結(jié)構(gòu)

廠房區(qū)結(jié)構(gòu)面總體上不發(fā)育。微～新洞段內(nèi),2個方案廠房區(qū)的絕大多數(shù)勘探洞段的巖體結(jié)構(gòu)在厚層（塊狀）結(jié)構(gòu)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(shù)洞段內(nèi)均有互層狀（鑲嵌）結(jié)構(gòu)巖體出現(xiàn)（見表1）。

表1 巖體結(jié)構(gòu)占比統(tǒng)計表

3.2 巖體質(zhì)量

微～新巖體洞段中,2種方案的巖體質(zhì)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(zhì)量占比統(tǒng)計表

3.3 地應(yīng)力

為詳細(xì)分析各方案地下廠房區(qū)巖體的天然應(yīng)力場,本文基于區(qū)域及壩址區(qū)地應(yīng)力場實(shí)測與研究成果,采用數(shù)值計算方法,反演分析地下廠房區(qū)地應(yīng)力場特征,為地下廠房區(qū)圍巖質(zhì)量評價、圍巖穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)。

采用有限元軟件FLAC3 D以地下廠房系統(tǒng)為中心構(gòu)建地下廠房區(qū)天然應(yīng)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(yīng)力反演數(shù)值計算模型

巖體物理力學(xué)性質(zhì)見表3,參數(shù)均取自實(shí)測資料。

表3 巖體力學(xué)參數(shù)選取

分別對2種方案進(jìn)行地應(yīng)力場反演,結(jié)果見圖2。

圖2 天然應(yīng)力場反演

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

3.4 圍巖穩(wěn)定性

在前述天然應(yīng)力場反演的基礎(chǔ)上,開展地下洞群及其圍巖穩(wěn)定性評價。計算基于天然應(yīng)力場計算模型（圖2）,并根據(jù)設(shè)計方案,構(gòu)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(tǒng)主要洞室的圍巖應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性。

圖3 開挖數(shù)值計算模型

根據(jù)計算,2種方案地下廠房洞室群開挖圍巖應(yīng)力、應(yīng)變及穩(wěn)定性見圖4、圖5、圖6。

圖4 最大主應(yīng)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(qū)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(yīng)力產(chǎn)生,這對洞室穩(wěn)定性是有利的,A方案圍巖最大主應(yīng)力為15.41 MPa,而B方案圍巖最大主應(yīng)力較高,量值最大為19.28 MPa；對于圍巖塑性破壞區(qū),B方案塑性區(qū)厚度和塑性破壞單元數(shù)量均明顯大于A方案。

4 結(jié)論

本文以青海某水電站地下廠房圍巖穩(wěn)定性為研究背景,對比選方案進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值分析,得出以下結(jié)論：

（1）比選方案中,2個廠房系統(tǒng)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(qū)地應(yīng)力量值較高,屬中等偏高地應(yīng)力場。其中B方案天然地應(yīng)力較高,洞室開挖后應(yīng)力重分布導(dǎo)致圍巖應(yīng)力較高,影響洞室穩(wěn)定性。

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

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