大型多岔調(diào)壓井圍巖穩(wěn)定分析及開挖支護(hù)措施優(yōu)化研究

朱穎儒，張利平，石 昊

（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 前言

水電站調(diào)壓井是一種典型的地下工程,在水電站引水發(fā)電系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用[1]。隨著應(yīng)用的發(fā)展,調(diào)壓井型式越來越多樣化,大直徑異形調(diào)壓井結(jié)構(gòu)的運用也越來越多,調(diào)壓井與圍巖聯(lián)合工作的條件及影響硐室穩(wěn)定性的因素愈加多樣復(fù)雜,圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性對調(diào)壓井安全至關(guān)重要,因此,采用有限元方法對復(fù)雜地質(zhì)條件下的大型地下硐室結(jié)構(gòu)施工期進(jìn)行圍巖穩(wěn)定的分析顯得尤為重要[1-3]。在調(diào)壓井開挖施工過程中,充分研究開挖后圍巖的應(yīng)力、變形分布規(guī)律、塊體穩(wěn)定以及塑性區(qū)演化過程,不僅可以作為判斷圍巖穩(wěn)定的依據(jù),同時也可以為硐室群支護(hù)方案的有效性進(jìn)行評價[4-7]。本文以某水電站大型多岔調(diào)壓井為研究對象,通過三維有限元計算方法對調(diào)壓井開挖施工期圍巖穩(wěn)定及塊體穩(wěn)定進(jìn)行分析,得到施工期調(diào)壓井圍巖的應(yīng)力場、位移場及塑性區(qū)分布等特性,了解施工期圍巖穩(wěn)定情況,并據(jù)此提出合理的一期開挖支護(hù)措施型式。

1 工程概況

某水電站為混合式電站,工程主要任務(wù)是發(fā)電。該電站引水系統(tǒng)主要建筑物包括進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井和壓力管道。引水系統(tǒng)總長約5.2 km,引水隧洞襯砌后直徑11.4 m,在引水隧洞末端約4.5 km 處設(shè)置調(diào)壓井。井內(nèi)連接有7 條洞室,分別為1 條引水隧洞、1 條調(diào)壓井交通洞、5 條發(fā)電洞,調(diào)壓井下游設(shè)置事故閘室,調(diào)壓井開挖斷面為圓形+扇形異形結(jié)構(gòu),最大開挖直徑為50.8 m,最大開挖跨度62.4 m,開挖深度為133.2 m,尤其是閘室頂拱部位設(shè)計半徑方向擴(kuò)挖7.4 m,形成一弧形倒懸反拱,為超大直徑異形多岔調(diào)壓井結(jié)構(gòu)。調(diào)壓井布置見圖1。

圖1 調(diào)壓井布置

參考類似工程,初擬一期開挖支護(hù)措施為：掛網(wǎng)噴混凝土（SFR40,厚10 cm）,錨桿L=9 m、間排距2 m,直徑28 mm。

2 工程地質(zhì)基本條件

本工程調(diào)壓井位于山梁部位,其地下水排泄條件較好,調(diào)壓井整體位于地下水位以上。調(diào)壓井高程EL.570.00 m 以上井壁穩(wěn)定性差,為Ⅳ類圍巖，EL.506.00 m~EL.570.00 m 段井壁穩(wěn)定性一般,圍巖為Ⅲ類,斷層破碎帶及裂隙密集帶段為Ⅳ類圍巖。

調(diào)壓井段巖體中裂隙主要分為3 組，第①組產(chǎn)狀NW276°~300°SW ∠53°~69°,裂隙一般寬0.2 cm~0.3 cm,充填巖粉,鈣膜,局部為石英脈,地表裂隙張開,無充填,膠結(jié)一般,該組傾角陡,對調(diào)壓井井壁穩(wěn)定不利；第②組產(chǎn)狀NE35°~73°SE ∠60°~80°,寬0.1 cm~0.3 cm,充填巖片、巖屑,面平直較光滑,傾角陡,對調(diào)壓井井壁穩(wěn)定不利。第③組為片麻理面裂隙,NE50°~85°NW ∠15°~25°,充填巖屑,局部充填石英脈,膠結(jié)一般,面平直稍粗糙。調(diào)壓井圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1,裂隙結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 調(diào)壓井圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

3 圍巖穩(wěn)定性分析

3.1 三維有限元模型的建立

根據(jù)調(diào)壓井結(jié)構(gòu)及參照以往工程經(jīng)驗,開挖施工過程模擬分6 個階段,即第1 階段：開挖調(diào)壓井豎井EL.615.0 m至 EL.600 m；第2 階段：開挖調(diào)壓井豎井EL.600.0 m 至EL.564.0 m；第3 階段：開挖調(diào)壓井豎井EL.564.0 m 至EL.537.0 m；第4 階段：開挖調(diào)壓井豎井EL.537.0 m 至EL.513.0 m；第5 階段：開挖調(diào)壓井豎井EL.513.0 m 至EL.497.0 m；第6 階段：開挖調(diào)壓井豎井EL.497.0 m 至EL.481.5 m,建立三維有限元模型見圖2,模型采用直角坐標(biāo)系,X 軸代表順?biāo)鞣较?指向下游為正；Y 軸代表垂直水流方向,左岸為正；Z 軸代表豎直方向,指向上為正。模型單元總數(shù)為382580 個,節(jié)點總數(shù)為103771 個,錨桿用桿單元模擬,圍巖用Solid 單元模擬。

圖2 調(diào)壓井計算及支護(hù)模型

3.2 三維有限元計算結(jié)果及分析

在自重初始應(yīng)力場下,調(diào)壓井開挖結(jié)束后,圍巖塑性區(qū)主要出現(xiàn)在EL.513.0 m 以下,見圖3,在靠近流道上游,圍巖受兩側(cè)開挖的影響,塑性區(qū)的最大深度12.5 m；豎井與發(fā)電洞交叉口圍巖處于塑性狀態(tài),圍巖塑性區(qū)的最大深度5.0 m。EL.513.0 m 以上，圍巖塑性區(qū)分布的范圍很小，最大深度5.6 m,最大錨桿拉應(yīng)力出現(xiàn)在流道開挖交叉口處,錨桿拉應(yīng)力在250 MPa 以下,小于錨桿屈服強度450 MPa。EL.513.00 m以下的塑性區(qū)部分深度已經(jīng)大于錨桿深度,但90%錨桿長度已經(jīng)穿過圍巖塑性區(qū)或大于70%的塑性區(qū)深度；EL.513.00 m以上的錨桿長度基本穿過塑性區(qū)深度。

圖3 調(diào)壓井開挖圍巖塑性區(qū)分布

調(diào)壓井自重應(yīng)力場較小,水平面開挖輪廓基本呈圓形,因此,調(diào)壓井每一階段開挖卸荷的最大水平變形增加幅度較小,調(diào)壓井開挖結(jié)束后由于開挖引起的最大水平變形約為8.1 mm。每一階段開挖后最大水平變形見圖4。

圖4 每一階段開挖后最大水平變形

圖5 EL.615~EL.513 的楔形體分布及支護(hù)圖

圖6 EL.513~EL.495 的楔形體分布及支護(hù)圖

圖7 EL.495~EL.481.5 的楔形體分布及支護(hù)圖

3.3 塊體穩(wěn)定分析

基于塊體理論對幾組裂隙可能組成的塊體進(jìn)行塊體穩(wěn)定分析,其結(jié)果如下：

（1）在圍巖中延伸深度較大的塊體,自然狀態(tài)下,即不考慮支護(hù),安全系數(shù)大于1.5。

（2）在噴錨系統(tǒng)支護(hù)下,井壁上所有楔形體安全系數(shù)大于1.5,說明一期支護(hù)措施滿足要求。

（3）在施工開挖過程中,如果一期系統(tǒng)支護(hù)措施不及時或不支護(hù),由于開挖卸荷,巖體松弛的影響,巖體的結(jié)構(gòu)面凝聚會大幅度降低,甚至降到0,當(dāng)?shù)扔? 時,部分塊體的安全系數(shù)小于1.0,因此,若不及時施加一期系統(tǒng)支護(hù)措施,圍巖就會發(fā)生漸進(jìn)性的剝落或塌落破壞,拖延的時間過長,甚至?xí)?dǎo)致較大的塌方。

3.4 支護(hù)措施優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)施工力學(xué)過程三維有限元模擬計算和塊體穩(wěn)定分析,提出的支護(hù)措施為：掛網(wǎng)噴混凝土（SFR40,厚10cm）；EL.513.0 以上布置系統(tǒng)錨桿,直徑32 mm,長度6.0 m/4.5 m,間距2 m×2.0 m（水平向×豎直向）矩形布置； EL.481.5 至EL.513.0 布置系統(tǒng)錨桿,直徑32 mm,長度9 m,間距2 m×2.0 m（水平向×豎直向）矩形布置；考慮EL.513 m 上部反拱穩(wěn)定需要,在EL.513 m 高程倒懸體以上布置5 排直徑32 mm,長度12 m,間距1 m×1 m 的長錨桿。

4 現(xiàn)場開挖方式及支護(hù)效果分析

根據(jù)調(diào)壓井結(jié)構(gòu)及布置形式,分別在井口以下20 m（EL.596.00 m）及閘室倒懸體上部2.3 m（EL.516.00 m）處布置多點位移計、錨桿應(yīng)力計及測縫計等,圖8 中R 代表錨桿應(yīng)力計,M 代表多點位移計。

圖8 調(diào)壓井監(jiān)測儀器布置圖

為滿足施工工期要求及合理配置現(xiàn)場資源,調(diào)壓井開挖時并未采取全斷面開挖下降方式,而是將井劃分為三個區(qū)域,分別進(jìn)行鉆孔、出渣、支護(hù)作業(yè),采用環(huán)向工序循環(huán)加縱向工序循環(huán)的方式進(jìn)行開挖,開挖面高程呈環(huán)向階梯狀螺旋下降,各分區(qū)面積基本相同,見圖9。

圖9 調(diào)壓井開挖分區(qū)布置圖

EL.513.70 m 以下事故閘室反拱開挖方式見圖10：EL.513.70 m 反拱上部L=12 m 錨桿先安裝就位,按井筒上部斷面挖至EL.507.50 m,再按圖5 所示挖掉6.2 m×6.2 m×7.3 m的巖體,隨即實施該巖體范圍內(nèi)噴錨支護(hù),然后按相同步驟向兩側(cè)擴(kuò)挖并支護(hù),最后沿高程下挖。

圖10 調(diào)壓井事故閘室反拱開挖示意圖

監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖11~圖12,錨桿應(yīng)力與圍巖變形相對較大區(qū)域與三維有限元計算結(jié)果規(guī)律一致,均發(fā)生在開挖交叉處,調(diào)壓井圍巖整體變形及錨桿應(yīng)力均滿足設(shè)計要求,圍巖開挖支護(hù)后整體穩(wěn)定很好,基本沒有發(fā)生局部塌方,說明原設(shè)計支護(hù)措施和豎井開挖工藝是成功的,獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖11 錨桿應(yīng)力計監(jiān)測值

圖12 多點位移計監(jiān)測值

事故閘室倒懸處實測值比計算值大幅度偏小的主要原因可以歸結(jié)于以下三個方面,一是由于實際開挖瞬間卸荷,計算得出的變形是豎井整個開挖全過程變形完整的積累,不存在時間滯后效應(yīng),而多點位移計監(jiān)測到的變形通常具有很大的滯后效應(yīng),對于本工程來說,埋在高程516.0 m 的多點位移計基本測不到高程516.0 m 以上開挖卸荷引起的圍巖變形,主要測到的是5 階段和6 階段的開挖變形即高程516.0 m 至高程481.5 m 段巖體開挖所引起的變形,根據(jù)圖4 可得出該階段開挖所引起的總變形約為1.5 mm~3.9 mm,是圖12 最大監(jiān)測變形值的0.94~2.45倍；二是巖體是一種非常不均勻介質(zhì),難以給出準(zhǔn)確的物理力學(xué)特性指標(biāo)；三是巖體初始地應(yīng)力分布和量值也存在不準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

（1）通過對某大型多岔調(diào)壓井結(jié)構(gòu)施工開挖期圍巖穩(wěn)定及塊體穩(wěn)定分析,得到圍巖變形、塑性區(qū)分布等特性,提出了技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)效果比較顯著的圍巖支護(hù)措施。

（2）根據(jù)現(xiàn)場實測監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,圍巖最大變形區(qū)域與三維計算結(jié)果規(guī)律一致,最大變形與錨桿應(yīng)力實測值均與擬定的開挖方式下的計算成果具有很好的一致性。

（3）大型豎井開挖支護(hù)后的效果和監(jiān)測結(jié)果表明優(yōu)化的開挖方式對圍巖穩(wěn)定起到一定作用,優(yōu)化的支護(hù)措施是可行的。