卡拉水電站主廠房與主變洞間距優化研究

彭浩洋，楊 洋，方 丹，陳 斌，王應明

(1.雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051；2. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引 言

鑒于地下洞室群地質條件復雜，洞室結構形式多樣，加之圍巖應力、變形受開挖和支護施工影響強烈，因此，目前研究大多采用分析高效、成本低廉且計算靈活的數值模擬法進行洞室群間距優化分析[7-10]。在水利水電工程中，洞室群間距優化也是工程中常常面臨的關鍵問題。卞志兵等[11]采用FLAC3D軟件并考慮了巖脈條件下應力、位移以及塑性區的分布特征，最終確定了惠州抽水蓄能電站主廠房與主變洞的合理間距。張明等[12]采用FLAC2D確定了官地水電站主廠房與主變室、尾調室間距分別為49 m和140 m的“一”字形布局方案。王帥等[13]采用3D-Sigma模擬了5種洞室群模型開挖過程中圍巖應力場變化規律，得到新疆某水電站洞室群的洞間距設計以大于2倍洞半徑為宜。上述研究表明，地下洞室群間距的優化分析對于圍巖穩定性具有重要意義，特別是大型地下廠房洞室群，由于其建筑物安全等級高、規模大、布置復雜，洞室群間距優化往往是工程建設中關注的重點。

本文基于卡拉水電站地下廠房洞室群間距優化的實際工程案例，首先介紹了卡拉水電站的工程概況、地下廠房的地質條件和面臨的工程難點；其次建立了4種不同間距洞室群的3DEC計算模型，分析了主廠房與主變洞在不同間距下的圍巖變形、應力及塑性區分布特征；最后提出了卡拉水電站主廠房與主變洞的合理間距。

1 地下廠房區域工程地質條件

1.1 工程簡介

卡拉水電站位于四川省涼山彝族自治州木里藏族自治縣境內，是雅礱江中游兩河口～卡拉河段水電開發規劃一庫七級的第七級水電站。壩址區位于木里縣卡拉鄉下田鎮村上游約4 km處，上距楊房溝水電站33 km，下距錦屏一級水電站60 km。

卡拉水電站樞紐工程主要由碾壓混凝土重力壩(壩高123 m)、壩身泄洪建筑物、壩下消力池及右岸引水發電等建筑物組成。地下廠房洞群布置在右岸山體內，主要由主副廠房洞、母線洞、主變洞、引水隧洞及尾水隧洞等組成。主副廠房洞開挖尺寸219.5 m×27.6 m/25 m×75.77 m(長×寬×高)；主變洞開挖尺寸為167 m×16.5 m×34.5 m(長×寬×高)。

1.2 地下廠房與主變洞地質條件

地下廠房上覆巖體厚度為122～305 m，圍巖中含碳質板巖、砂質板巖互層，巖性相對軟弱，分布在安裝場段至4號機組廠房頂拱一帶，頂拱處出露寬53m，安裝場只在局部頂拱出露。與地下廠房相交的構造有22條，其中Ⅱ級結構面2條，分別為F75、F152；Ⅲ級結構面分布有5條；Ⅳ結構面分布有15條。地下廠房圍巖Ⅲ1類占39.82%；Ⅲ2類占43.62%；Ⅳ～Ⅴ類占16.56%。

主變洞上覆巖體厚度為69～256 m。與主變洞相交的構造有18條，其中Ⅱ級結構面1條，為F152；Ⅲ級結構面分布有6條；Ⅳ結構面分布有11條。主變洞圍巖Ⅲ1類占45.04%；Ⅲ2類占37.54%；Ⅳ～Ⅴ類占17.42%。

1.3 地下廠房建設面臨的難點與挑戰

卡拉水電站地下廠房洞室群埋深淺，地質條件復雜，對廠房圍巖穩定影響較大，施工期變形安全風險突出。主要面臨如下難點：

(1)地下廠房區域由于巖體強度和巖體變形模量相對較低，而最大主應力約為10 MPa(實測最大主應力約11.44 MPa)[14]，對于具有高邊墻和洞群效應的地下廠房而言，特別是在巖性條件較軟弱、不利斷層和結構面影響下，可能會出現邊墻圍巖的大變形問題。

2012年新刑訴法將英美法系“排除合理懷疑”引入到刑事訴訟證明標準之中，但異質法律文明之間的法律移植應當建立在“異質性”分析基礎之上，比較法意義上的法律移植更應該注重移植地的本土化效果。通過這層語境，重新審視一下我國的“排除合理懷疑”證明標準，確實存在多重現實的問題。以“排除合理懷疑”為視角，我們可以充分的比較和分析我國與英美法系的“異質性”所在，在此基礎之上取其精華，去其糟粕，為我國的“排除合理懷疑”的適用創造更為合理的環境。

(2)各大系統洞室(井)平面上相互貫通，空間上縱橫交錯，大小相貫，平豎相接，且相鄰洞室間距較小，洞室圍巖穩定相互聯系、相互制約，洞室穩定問題突出。

(3)地下廠房區域發育的含碳質板巖、砂質板巖互層及Ⅱ級結構面F152、F75等斷層破碎帶是影響地下洞室開挖的主要不利因素，且洞室群埋深相對較淺，施工期間安全隱患較大。

卡拉水電站主廠房與主變洞間距優化分析時，不僅需要考慮主廠房、主變洞的高邊墻洞室變形及穩定問題，還需要充分考慮廠區不利地質條件，綜合得到最優的洞室間距。

2 模型建立

2.1 計算模型

卡拉水電站地下廠房洞室群受斷層、長大裂隙和巖性條件等地質因素影響，結構面導致的非連續變形問題突出。因此，本文采用3DEC離散元方法進行主廠房與主變洞間距優化分析。卡拉水電站地下廠房洞室群計算模型見圖1。圖1包含了地下洞室群的主要洞室，如地下廠房、主變室、母線洞、尾水洞及引水隧洞等。由于地下廠房區域結構面發育，巖體構造復雜，對洞室群的穩定性具有較大影響，因此，在3DEC軟件中同時模擬了F152、f160、F75等結構面的分布。

圖1 卡拉水電站地下廠房洞室群計算模型

2.2 計算工況與材料參數

2.2.1 計算工況

根據《水電站地下廠房設計導則》[15]，對于大型電站主體洞室的間距一般以40～50 m為宜。因此，為研究卡拉水電站主廠房與主變洞的最優間距，本文計算了主廠房與主變洞4種不同凈間距的模型，分別是40、50、60 m和70 m。選擇機組中心線剖面作為間距優化分析部位。間距比選分析結果中選取的機組剖面見圖2。圖2中，A—A、B—B、C—C及D—D剖面分別為1號、2號、3號及4號機組剖面。

圖2 間距比選分析結果中選取的機組剖面

2.2.2 材料參數

根據可研階段工程地質勘察成果，卡拉水電站地下廠房區域巖體及主要結構面力學參數分別見表1、2。

表1 巖體力學參數取值

表2 主要結構面力學參數取值

3 洞室間距優化分析

3.1 高邊墻大變形

邊墻變形程度與洞室間的間距具有相關性，當間距不足時，相鄰洞室的開挖會對邊墻變形產生影響，特別是存在大型控制性結構面時，相鄰洞室開挖時的相互影響會變得較為復雜。

計算結果表明，地下廠房高邊墻大變形問題突出，其中以主廠房上游側邊墻變形最為顯著，局部洞段洞室變形主要受斷層影響。圖3為4種洞室間距條件下洞室開挖后2號機組B—B剖面的圍巖變形。從圖3可知，4種間距條件下，中間巖柱的變形具有差異，40 m間距時中間巖柱變形同時受到主廠房以及主變洞的開挖影響，而當間距為60、70 m時，洞群效應減小。40 m間距時中間巖柱的變形為25～45 mm，當間距為60、70 m時，洞群效應相對最小，巖柱變形為20～40 mm。為避免巖柱內出現變形干擾情況，并減小母線洞長度以提高經濟性，建議主廠房與主變洞間距設置為60 m。

圖3 不同間距開挖后位移分布特征

3.2 塑性區分布特征

當洞室間間距不足時，鄰洞開挖不僅會對變形場產生影響，而且也可能造成中間巖柱屈服狀態發生變化。因此，巖柱內屈服區的分布特征也可以作為評價洞室間距合理性的指標之一。圖4為4種洞室間距條件下洞室開挖后2號機組B—B剖面的塑性區分布。從圖4可知，40 m間距條件下，主廠房和主變洞之間、母線洞以上部分巖柱全部處于屈服狀態；當間距增大到60 m時，上述部位圍巖狀態得到明顯改善，中心位置的圍巖基本處于彈性狀態；當間距為70 m，巖柱中心位置的圍巖完全處于彈性狀態。

圖4 不同間距開挖后塑性區分布特征

3.3 應力分布特征

卡拉水電站地下廠房區域是以水平應力為主的初始地應力場特征，雖然應力水平相對不高，但在地下廠房洞室群開挖建設中也需要考慮應力集中和應力破壞的可能性。以2號機組B—B剖面為例，40 m和60 m間距條件下各洞室開挖完成后的應力分布見圖5、6。從圖5、6可知，頂拱和底板拐角處為應力集中區，但應力集中區最大主應力約為30 MPa，不具備普遍發生應力型破壞的條件。洞室邊墻不存在明顯應力集中現象，因此也不會出現高應力破壞問題。此外，邊墻應力松弛區域相對較大，特別是當洞室間距為40 m時，在主廠房和主變洞之間，2號母線洞上方一定深度范圍均存在較為明顯的應力松弛；當間距增大為60 m時，該區域的應力條件有明顯改善，中間部位巖體只受母線洞本身開挖的影響，基本不受主廠房和主變洞影響。

圖6 60 m間距的應力分布

4 結 語

本文依托卡拉水電站，采用3DEC離散元法，對主廠房和主變洞的4種間距方案進行計算分析，得到結論如下：

(1)40 m間距時，主廠房和主變洞之間的巖柱變形為25～45 mm；間距在60、70 m時，洞群效應相對最小，巖柱變形為20～40 mm。

(2)40 m間距時，主廠房和主變洞之間的部分巖柱全部處于屈服狀態；當間距增大到60m時，上述部位圍巖狀態得到改善，中心位置的圍巖基本處于彈性狀態。

(3)40 m間距時，主廠房和主變洞之間的巖柱均存在較為明顯的應力松弛；洞室間距設置為60 m時，主廠房與主變洞之間巖柱的應力松弛明顯減小。

(4)從避免相鄰洞室變形干擾、滿足巖柱內存在彈性區的要求、減小巖柱的應力松弛及控制母線洞長度等方面綜合考慮，建議卡拉水電站主廠房與主變洞的合理間距設置為60 m。