新疆阜康抽水蓄能電站主廠房頂拱塊體穩定性分析和支護設計

景 浩,艾 飛

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室,武漢 430071)

0 前 言

抽水蓄能電站地下洞室在開挖過程中,圍巖所處的靜力平衡被打破,巖塊可能沿著結構面向臨空方向運動,發生失穩[1]。尤其是洞室頂拱,容易發生冒落掉塊現象,對施工人員和設備安全造成威脅[2-3]。1985年,Goodman和石根華提出的塊體理論可以有效解決結構面和臨空面組合形成的塊體穩定性問題[4-5]。二十多年來,塊體理論被廣泛運用到包括三峽工程在內的各大水電站地下洞室工程建設中[6-8]。塊體理論也在工程實踐中得到了進一步的發展和外延。石廣斌等提出了地下洞室塊體穩定安全標準及其應用[9];張雨霆等提出了基于數值分析的巖石塊體穩定性分析一般性方法[10];周揚一等利用極限平衡法及強度折減法兩種方法計算了塊體的安全系數,并對兩種方法進行了對比分析[11];楊東升等提出了基于BIM技術的水電站地下洞室定位關鍵塊體分析方法[12];張爭等進行了塊體穩定性影響因素的敏感性分析[13]。對于結構面未貫通的可移動塊體,鄭銀河等將巖橋抗剪力放入塊體穩定性計算中[14];郭牡丹等提出巖橋貫通強度及貫通準則,并運用到塊體搜索及穩定性計算中[15]。水電站地下洞室開挖會形成臨空面,可能會產生掉塊、滑動等局部失穩破壞,給工程建設帶來不利影響,通過塊體分析,準確判斷和預測各種塊體穩定性,對安全施工有重要意義。

阜康抽水蓄能電站地質編錄資料顯示,地下廠房區斷層與裂隙較發育,不同產狀的結構面相互切割,形成不同大小、各種形狀的塊體。尤其在地下廠房第一層開挖后,弧形臨空面與貫穿型結構面的不同組合,容易形成懸吊型不穩定塊體,在重力作用下,可能出現冒落的現象,主廠房中導洞開挖現場 如圖1所示。若不能在第一層開挖時及時發現并采取加固措施,將對后續下臥施工與電站運營帶來安全隱患與處置難度。此外,由于工程建設的需要,在保證安全的前提下盡可能對洞室圍巖支護進行優化。因此,對塊體的穩定性分析與錨固措施校核是很有必要的。

本文根據開挖揭露的阜康抽水蓄能電站主廠房地質編錄資料,對主廠房頂拱的圍巖穩定性和支護措施進行分析和評價,搜索關鍵塊體,找出關鍵塊體,并計算其大小規模、埋深等,分析其失穩模式分析,對現有錨固措施進行校核,并提出支護措施,對支護效果進行驗證。

1 工程地質條件

1.1 工程概況

新疆阜康抽水蓄能電站是國內第一個采用EPC建設模式的抽水蓄能電站,為日調節純抽水蓄能電站,工程位于新疆昌吉回族自治州阜康市境內。電站裝機容量1 200 MW(4×300 MW),設計年發電量24.1億kWh,設計年抽水用電量32.13億kWh,綜合效率約為75%。輸水系統采用“1洞2機”布置型式,水平距離約為1 815 m。主廠房、主變洞及尾閘室三大洞室采用平行布置方式,地下廠房洞室群布置如圖2所示。主廠房埋深263 m左右,縱軸線方向NE20°,開挖尺寸185.50 m×24.30(26.10)m×56.30 m(長×寬×高),巖錨梁以上最大開挖跨度26.10 m。

圖2 阜康抽水蓄能電站地下廠房洞室群布置

1.2 圍巖結構特征

主廠房部位出露巖性為灰黑色、灰綠色硅質巖夾砂巖(C2-2),中厚層為主,層厚一般20～50 cm。巖層產狀NW270°～275°,NE∠30°～40°,巖層走向與廠房軸線方向呈大角度相交(70°～75°),巖體微風化～新鮮,斷層影響帶附近巖體強～弱風化。

1.3 節理裂隙發育特征

根據主廠房第一層開挖揭露的斷層節理裂隙資料,主廠房第一層開挖地質編錄如圖3所示,繪制出主廠房第一層裂隙統計如圖4所示。主廠房部位斷裂構造較發育,優勢結構面主要包括3組:

圖3 阜康抽水蓄能電站主廠房第一層開挖地質編錄

圖4 阜康抽水蓄能電站主廠房第一層開挖斷層節理裂隙統計

(1) 組走向NW270°～275°,傾向NE,中傾角為主,一般30°～45°,多以層間斷層為主,規模相對較小,較發育,一般寬3～30 cm,面較平直、較光滑,充填碎裂巖、巖粉、泥質等。

(2) 組走向NW310°～330°,傾向NE/SW,中陡傾角為主,一般30°～75°,發育,一般寬5～50 cm,個別規模相對較大,充填碎裂巖、斷層泥等。

(3) 組走向NW340°～N,傾向SW,少量傾NE,中陡傾角為主,一般50°～90°,較發育,規模相對較大,面較平直、較光滑,充填碎裂巖、斷層泥等。同時發育多組節理,延伸較短,但分布較廣。走向多與層面平行或垂直,發育間距5～20 cm,傾角一般25°～40°,部分陡傾。

1.4 圍巖分類特征

根據開挖揭露的圍巖巖性、結構面發育情況及地下水活動性等,對地下廠房第一層洞室圍巖進行了分類,圍巖分類如圖5所示。由圖5可知,廠房頂拱圍巖兩端較差,中間較好,圍巖以Ⅱ～Ⅲ類為主,少量Ⅳ類。其中Ⅱ類圍巖占比25.3%;Ⅲ1類圍巖占比45.8%;Ⅲ2類圍巖比23.5%;Ⅳ類圍巖占比5.4%。

圖5 阜康抽水蓄能電站主廠房圍巖分類

1.5 結構面物理力學特征

主廠房各類斷層及裂隙力學參數建議值如表1所示。

表1 阜康抽水蓄能電站主廠房斷層及裂隙力學參數

2 塊體穩定性分析方法

塊體理論首先將結構面和開挖臨空面看成空間平面,塊體是由空間平面構成的幾何凸體,將各種作用荷載看成空間向量,應用幾何方法(拓撲學和集合論)研究在已知各空間平面方位的條件下,巖體內可形成的塊體類型及其可動性。然后通過靜力平衡計算,求出各類可移動塊體的滑動力及安全系數,作為工程加固措施的設計依據。在此重點介紹拱頂懸吊型塊體的分析方法。

2.1 塊體幾何識別

塊體幾何識別主要是分析結構面和工程開挖面能否相互切割形成封閉空間體。基于拓撲學原理,通過赤平投影和矢量運算方法研究結構面與臨空面來分析洞室開挖后可能形成的塊體。通過引入開挖錐(EP)、節理錐(JP)、空間錐(SP)進行塊體有限性判斷,達到塊體識別的目的。塊體有限的充分必要條件為:

JP∩EP=?

(1)

2.2 塊體可動性判斷

圖6為不同失穩方式塊體可動性分析示意圖。對于懸吊型塊體,當塊體冒落時,運動方向Sd與主動力合力r一致,即:

圖6 塊體可動性分析

Sd=r

(2)

且

?i/(r·ni)0

(3)

式中:ni為結構面i指向塊體內部的單位法向量。

2.3 未貫通結構面及假設剪裂面力學參數

根據主廠房第一層開挖實際揭露的地質情況,在定位塊體識別過程中會考慮非貫通性的結構面及頂拱兩側邊墻處假設拉裂面。對于頂拱的懸吊型塊體,在塊體潛在失穩過程中不存在作用于結構面上的法向正應力,結構面的摩擦強度不產生阻滑效果,只有黏聚力產生作用。因此,在塊體穩定性計算中需要考慮未貫通結構面及假設剪裂面的黏聚力c*A(黏聚力*接觸面面積)對塊體的阻滑作用,其黏聚力根據連通率大小取值,選取黏聚力的最小值400 kPa作為連通率為0%時對應的計算參數,連通率按5%遞增至100%,在連通率為100%時,黏聚力為0。在塊體穩定性計算過程中,根據圍巖地質條件和節理裂隙發育狀況,選取不同的連通率以及其對應的黏聚力。圍巖類別高的區域,節理裂隙相對發育,因此,假設剪裂面的連通率也相應取高值。

2.4 塊體穩定性計算

根據NB/T 35090-2016《水電站地下廠房設計規范》的相關規定,采用剛體極限平衡法計算圍巖塊體穩定時,懸吊型塊體穩定安全系數可按下列方法計算:

K=Pv/G

(4)

式中:K為塊體穩定性安全系數;G為塊體重力,kN;Pv為原設計錨桿、錨索在鉛垂向的設計支護力,kN。

根據本工程的實際情況,針對未完全貫通的結構面以及假設剪裂面組合形成的懸吊型塊體,在不考慮支護、考慮原設計支護、考慮追加支護3種條件下的穩定安全系數如式(4)～(6)所示:

(1) 不考慮支護條件下的穩定安全系數計算公式:

(5)

式中:K0為不考慮支護條件下的穩定安全系數;R(·) 為塊體抗滑力,kN;S(·)為塊體下滑力,kN;ci為塊體的第i個結構面的黏聚力,kPa;Ai為塊體的第i個結構面在塊體中的表面積,m2;n為計算中考慮的結構面個數;i為所考慮的結構面序號,i= 1,2,…,n。

(2) 考慮原設計支護條件下的穩定安全系數計算公式:

(6)

式中:Kv為考慮原設計支護條件下的穩定安全系數。

(3) 考慮追加支護后的穩定安全系數計算公式:

(7)

式中:Kz為考慮追加支護后的穩定安全系數;Pz為追加的錨桿、錨索在鉛垂向的設計支護力,kN。

2.5 塊體穩定最小安全系數要求

根據NB/T 35090-2016《水電站地下廠房設計規范》中關于塊體穩定最小安全系數的規定(如表2所示),在持久工況下,阜康抽水蓄能電站工程懸吊型塊體穩定最小安全系數為2.00。

表2 塊體穩定最小安全系數

2.6 塊體穩定性分析流程

塊體穩定性分析流程如圖7所示。

圖7 塊體穩定性分析

3 塊體穩定性分析結果

3.1 塊體分布情況

根據現有的地質編錄資料,對主廠房第一層開挖頂拱結構面可能切割形成的關鍵塊體進行了詳盡的分析,塊體幾何尺寸如表3所示,塊體空間位置如圖8所示。總體來看,主廠房頂拱結構面切割形成的塊體的破壞模式均為頂拱冒落,形成的塊體體積在236.16～995.43 m3,最大埋深在3.74～7.85 m。

表3 主廠房頂拱開挖塊體信息

圖8 主廠房第一層開挖頂拱塊體空間幾何形態分布

3.2 關鍵塊體穩定性分析及支護措施

不考慮支護、考慮原設計支護、考慮追加支護3種條件下的塊體穩定安全系數結果如表4所示。其中,所建議的連通率是在綜合分析塊體圍巖類別、結構面特征以及敏感性計算結果基礎上確定的。表4也顯示了為了是塊體穩定安全系數達到規范要求2.0所需錨索支護的數量。圖9顯示的是塊體追加錨索支護所在的位置。

表4 主廠房第一層開挖塊體追加支護方案推薦

圖9 主廠房第一層開挖頂拱塊體支護措施

4 支護效果驗證

為了保證地下洞室圍巖穩定,根據洞室地質條件,在多個斷面開展監測工作。位于廠左0+001.25頂拱中心線上的多點位移計M403-CFA1在主廠房第一層中導洞開挖完成后于2019年7月10日布設,該測點位于塊體ZC1-2和ZC1-3附近。多點位移計M403-CFA1位移監測曲線如圖10所示,隨著第一層擴挖,表層0～2 m圍巖變形快速增加,達到14 mm,深部的區域圍巖變形較小,在2 mm左右;后續第二、三層開挖,對圍巖變形影響較小,表明根據表4中所列結果追加錨索支護后拱頂塊體及周邊圍巖目前趨于穩定狀態。

圖10 主廠房頂拱多點位移計M403-CFA1位移監測曲線

5 結 論

通過對阜康抽水蓄能電站主廠房頂拱塊體穩定性分析,可以得到以下結論:

(1) 阜康抽水蓄能電站地質編錄資料顯示,地下廠房第一層開挖后,弧形臨空面與貫穿型結構面的不同組合,容易形成懸吊型不穩定塊體,在重力作用下,可能出現冒落的現象。

(2) 通過塊體定位分析,主廠房頂拱結構面切割形成的塊體的破壞模式均為頂拱冒落,形成的塊體體積在236.16～995.43 m3,最大埋深在3.74～7.85 m。

(3) 在考慮未貫通結構面及假設剪裂面的黏聚力對塊體的阻滑作用的基礎上,對塊體進行穩定性分析,獲得塊體穩定性安全系數。為達到規范要求2.0穩定性安全系數,所需錨索支護的數量為2～5根。

(4) 監測數據表明,通過錨索支護之后拱頂塊體及周邊圍巖目前趨于穩定狀態。