雙江口水電站洞式溢洪道不良地質(zhì)段圍巖穩(wěn)定及開(kāi)挖支護(hù)分析

周正軍，王觀琪，何 蘭

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

雙江口水電站為一等大(1)型工程，洞式溢洪道開(kāi)挖斷面大、結(jié)構(gòu)受力及運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，且已開(kāi)挖區(qū)域揭示洞室圍巖實(shí)際地質(zhì)條件明顯比前期預(yù)測(cè)差。其中，在溢0+107 m～溢0+180 m洞段，新發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶F3通過(guò)，斷層產(chǎn)狀總體為：N50°～60°W/NE∠80°～90°，與洞向夾角30°～40°，主錯(cuò)帶寬約13 m，巖體以強(qiáng)風(fēng)化～全風(fēng)化為主，區(qū)段巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)～散體結(jié)構(gòu)，節(jié)理短小且發(fā)育，開(kāi)挖后頂拱及兩側(cè)均見(jiàn)有裂隙切割組合產(chǎn)生的掉塊，洞室自穩(wěn)性差。此外，該洞段開(kāi)挖過(guò)程中受巖體的應(yīng)力調(diào)整和松弛卸荷、汛期雨水下滲等因素的影響，圍巖強(qiáng)度將進(jìn)一步降低，存在施工期開(kāi)挖安全風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)開(kāi)挖揭露及地質(zhì)判別情況，本文采用數(shù)值計(jì)算手段，對(duì)斷層F3及其影響段洞段圍巖穩(wěn)定及支護(hù)措施進(jìn)行了針對(duì)分析，旨在為該區(qū)段開(kāi)展開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)決策提供有益參考。

1 計(jì)算理論及支護(hù)方案

1.1 計(jì)算理論

基于圍巖本構(gòu)模型理論，計(jì)算中洞室圍巖采用摩爾-庫(kù)倫理想彈塑性本構(gòu)[1-2]，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如式(1)所示。

{dσ}=Ce({dε}-{dεp})

(1)

式中，{dσ}為應(yīng)力增量，Pa；{dε}為應(yīng)變?cè)隽?，無(wú)量綱；{dεp}為塑性應(yīng)變?cè)隽?，無(wú)量綱；Ce為彈性剛度矩陣，Pa。

巖體的塑性屈服破壞準(zhǔn)則如式(2)所示。

(2)

式中，J2為第二偏應(yīng)力不變量，Pa2；θ為應(yīng)力羅德角，(°)；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；I1為第一應(yīng)力不變量，Pa；c為黏聚力，Pa。

設(shè)錨桿單元是一種一維理想彈塑性單元，僅能承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，計(jì)算中采用FLAC 3D有限差分法軟件中自帶的錨桿單元。

1.2 計(jì)算方案

為對(duì)雙江口洞式溢洪道不良地質(zhì)洞段采取針對(duì)性支護(hù)措施，主要對(duì)比了基礎(chǔ)支護(hù)方案(方案1)和加強(qiáng)支護(hù)方案(方案2)。

方案1：對(duì)于不良地質(zhì)段0+107 m～0+150 m段，沿邊墻和頂拱設(shè)系統(tǒng)錨桿Φ28(L=6 m)、Φ32(L=9 m)，間排距2 m，長(zhǎng)短間隔交錯(cuò)布置，拱腳范圍加強(qiáng)兩排錨桿Φ32(L=9 m)，縱向間距2 m；0+150 m～0+180 m段沿邊墻設(shè)系統(tǒng)錨桿Φ28(L=4.5 m)、Φ32(L=6 m)，沿頂拱設(shè)系統(tǒng)錨桿Φ25(L=4.5 m)、Φ28(L=6 m)，間排距2 m，長(zhǎng)短間隔交錯(cuò)布置，拱腳范圍加強(qiáng)兩排錨桿Φ32(L=9 m)，縱向間距2 m。計(jì)算洞段系統(tǒng)錨桿單元如圖1所示。

方案2：考慮不良地質(zhì)洞段巖性自穩(wěn)能力較差，在方案1系統(tǒng)錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上根據(jù)斷層的走向在0+82.5 m～0+160 m段左邊墻和0+110 m～0+187.5 m段右邊墻增設(shè)450 kN預(yù)應(yīng)力錨桿。增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿在邊墻自上而下分布4根，間距為3 m，排距為2.5 m。此時(shí)，計(jì)算洞段錨桿單元如圖2所示。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

結(jié)合溢洪道的結(jié)構(gòu)布置形式，考慮不良地質(zhì)段距邊坡表面較近(進(jìn)洞口方向最近約80 m)，且斷層影響范圍較大，選取溢洪道進(jìn)口一帶的邊坡區(qū)域構(gòu)建整體分析模型(見(jiàn)圖3)，其中不良地質(zhì)體與洞式溢洪道空間關(guān)系如圖4所示。結(jié)合溢洪道已開(kāi)挖區(qū)域揭露的地質(zhì)特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)地質(zhì)判別，在本文計(jì)算中圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值

3 結(jié)果分析

3.1 初始地應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

洞式溢洪道溢0+90 m～溢0+180 m段水平埋深約200 m，垂直埋深約150 m，圍巖為二云二長(zhǎng)花崗巖，根據(jù)右岸平洞實(shí)測(cè)地應(yīng)力成果推測(cè)洞式溢洪道圍巖地應(yīng)力分布如下：0+042 m～0+07 m段，σ1=2～4 MPa，σ3=0～1 MPa；0+070 m～0+210 m段，σ1=8～12 MPa，σ3=1～2 MPa； 0+210 m～0+270 m段，σ1=14～18 MPa，σ3=2～4 MPa；0+270 m～0+430 m段，σ1=20～25 MPa，σ3=4～5 MPa。采用邊界法[3]通過(guò)反復(fù)試算生成初始應(yīng)力場(chǎng)，以減小初始應(yīng)力場(chǎng)對(duì)于圍巖塑性區(qū)發(fā)展的影響[4]，最終計(jì)算生成溢洪道圍巖σ1和σ3分布等值線(見(jiàn)圖5)，計(jì)算生成的初始地應(yīng)力場(chǎng)與地質(zhì)推測(cè)分布量值范圍基本一致。

圖5 溢洪道圍巖初始地應(yīng)力場(chǎng)分布等值線(單位：MPa)

3.2 支護(hù)方案1計(jì)算結(jié)果

斷面開(kāi)挖完成后圍巖整體向開(kāi)挖臨空面變形。其中，不良地質(zhì)段典型斷面沉降和水平位移最大值統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 典型斷面水平和沉降變形最大值統(tǒng)計(jì)(支護(hù)方案1)

斷面開(kāi)挖完成后，不良地質(zhì)洞段洞室圍巖塑性發(fā)展明顯，局部洞段(0+90 m～0+140 m)邊墻的塑性區(qū)超過(guò)錨桿的錨固深度，具體如圖6～9所示。雖然大多數(shù)系統(tǒng)錨桿受力在設(shè)計(jì)抗拉范圍內(nèi)，但局部錨桿受力最大達(dá)327 kN，超錨桿設(shè)計(jì)抗拉力。結(jié)合變形和塑性區(qū)計(jì)算成果，從限值變形和約束塑性發(fā)展的角度，有必要對(duì)不良地質(zhì)洞段進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)。

圖6 0+90 m斷面圍巖塑性區(qū)和錨桿受力示意 圖7 0+110 m斷面圍巖塑性區(qū)和錨桿受力示意

由以上計(jì)算結(jié)果分析可知，全斷面開(kāi)挖完成后圍巖未發(fā)生整體塑性流動(dòng)，但局部洞段存在錨桿的拉力超過(guò)錨桿的極限抗拉力。

圖8 0+130 m斷面圍巖塑性區(qū)和錨桿受力示意 圖9 0+140 m斷面圍巖塑性區(qū)和錨桿受力示意

3.3 支護(hù)方案2計(jì)算結(jié)果

在系統(tǒng)錨桿的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步限制下挖過(guò)程中邊墻的塑性區(qū)和變形發(fā)展，按方案2增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿，結(jié)合方案1洞室圍巖開(kāi)挖后塑性區(qū)發(fā)展情況，增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿，擬定長(zhǎng)度為18 m。此時(shí)斷面開(kāi)挖完成后不良地質(zhì)段典型斷面沉降和水平位移最大值統(tǒng)計(jì)如表3所示。對(duì)比方案1，洞室圍巖向臨空面變形減小。

表3 典型斷面水平和沉降變形最大值統(tǒng)計(jì)(支護(hù)方案2)

結(jié)合圍巖塑性區(qū)分布(見(jiàn)圖10～13)可知，在系統(tǒng)錨桿支護(hù)+局部預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)下，斷面開(kāi)挖完成后洞室圍巖雖仍存在塑性區(qū)，但塑形區(qū)基本在支護(hù)系統(tǒng)范圍內(nèi)。

此時(shí)，0+90 m斷面系統(tǒng)錨桿的最大拉力為88.5 kN、0+110 m斷面系統(tǒng)錨桿的最大拉力為136.3 kN、溢0+130 m系統(tǒng)錨桿的最大拉力為146.7 kN、溢0+140 m斷面系統(tǒng)錨桿的最大拉力為167.7 kN、溢0+150 m斷面系統(tǒng)錨桿的最大拉力為274.5 kN。結(jié)合溢0+90 m～0+150 m斷面系統(tǒng)錨桿的受力分布可知，沿?cái)鄬蛹捌溆绊憥у^桿受力較大，錨桿的最大受拉力為284.4 kN，小于對(duì)應(yīng)錨桿的設(shè)計(jì)極限抗拉能力。

圖10 0+90 m斷面圍巖塑性區(qū)分布范圍 圖11 0+110 m斷面圍巖塑性區(qū)分布范圍

圖12 0+130 m斷面圍巖塑性區(qū)分布范圍 圖13 0+140 m斷面圍巖塑性區(qū)分布范圍

3.4 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)成果對(duì)比

截至當(dāng)前，F(xiàn)3斷層及其影響帶洞段施工開(kāi)挖還有約5 m未完成。此時(shí)洞式溢洪道多點(diǎn)位移計(jì)孔口累計(jì)位移最大值22.59 mm，位于樁號(hào)0+130 m左邊墻高程2 479 m處。該部位發(fā)育F3斷層變形主要發(fā)生在邊墻下臥開(kāi)挖期間，目前變形尚未完全收斂，變形監(jiān)測(cè)結(jié)果小于計(jì)算值。

洞式溢洪道錨桿應(yīng)力較大的部位有樁號(hào)0+090 m左拱腳處(350.97 MPa)、樁號(hào)0+090 m右拱腳處(262.57 MPa)、樁號(hào)0+147 m右邊墻高程2 485 m處(242.46 MPa)，小于錨桿設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，雖然量值與計(jì)算結(jié)果有些差異，但揭示的規(guī)律基本一致。

4 結(jié) 論

采用三維有限差分法對(duì)雙江口溢洪道不良地質(zhì)洞段開(kāi)展開(kāi)挖支護(hù)分析，初步結(jié)論如下：

(1)常規(guī)系統(tǒng)錨桿支護(hù)下，溢0+150 m斷面頂拱拱腳處局部錨桿受力稍超錨桿極限抗拉強(qiáng)度；溢0+110 m～溢0+140 m洞段，圍巖塑性區(qū)超過(guò)系統(tǒng)錨桿的錨固深度，應(yīng)從約束塑性區(qū)發(fā)展和限值變形的角度對(duì)溢0+110 m～溢0+150 m洞段加強(qiáng)支護(hù)。

(2)在常規(guī)系統(tǒng)錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，在溢0+82.5 m～溢0+187.5 m洞段邊墻上增加450 kN預(yù)應(yīng)力錨桿，此時(shí)預(yù)應(yīng)力錨桿穿過(guò)圍巖塑性區(qū)且系統(tǒng)錨桿承受的最大拉力小于錨桿的極限抗拉力，措施可行。

(3)計(jì)算中，假定錨桿與錨桿周?chē)鷩鷰r接觸完好且不存在拉斷或拉脫現(xiàn)象，計(jì)算成果仍需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際實(shí)施中需保證預(yù)應(yīng)力錨桿的作用效果。

(4)當(dāng)前洞式溢洪道多點(diǎn)位移計(jì)孔口累計(jì)位移最大值22.59 mm，變形主要發(fā)生在邊墻下臥開(kāi)挖期間，目前變形尚未完全收斂，需結(jié)合后續(xù)監(jiān)測(cè)持續(xù)跟蹤。