楊房溝水電站蝕變帶區(qū)域巖錨梁設(shè)計(jì)與加強(qiáng)效果分析

韓曉卉，蔡波

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州，311122)

1 楊房溝水電站概況

1.1 工程簡(jiǎn)況

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，是規(guī)劃中該河段的第六級(jí)水電站，其上游連接孟底溝水電站，下游連接卡拉水電站，工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電。楊房溝水電站樞紐由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和地下引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成，地下廠房布置在左岸山體內(nèi)，廠房縱軸線方位N5°E，內(nèi)置4臺(tái)單機(jī)容量375MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1500MW。主副廠房、主變室、尾水調(diào)壓室三大洞室平行布置，主副廠房尺寸為230m×30m×75.57m(長(zhǎng)×寬×高)，主變室尺寸為156.0m×18.0m×22.3m(長(zhǎng)×寬×高)，尾水調(diào)壓室采用阻抗長(zhǎng)廊式，1#和2#調(diào)壓室尺寸分別為24m×69.5m×63.75m(寬×長(zhǎng)×高)和24m×82m×63.75m(寬×長(zhǎng)×高)。

1.2 基本地質(zhì)條件

楊房溝地下廠房邊墻開挖揭露圍巖巖性為淺灰色花崗閃長(zhǎng)巖，呈微風(fēng)化～新鮮狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體質(zhì)量整體較好，一般以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，局部IV類。主要發(fā)育五組優(yōu)勢(shì)節(jié)理：①順洞向陡傾角：N10°～30°E、NW∠60°～85°；②切洞向陡傾角：N65°～75°W、SW∠65°～70°；③切洞向中傾角：N85°E、NW∠40°～50°；④切洞向陡傾角：N80°W～N80°E、SW/NW∠80°～90°；⑤切洞向中傾角：N80°～90°E、SE∠40°～50°。

1.3 巖錨梁設(shè)計(jì)

楊房溝水電站主廠房選用兩臺(tái)700t/150t單小車橋機(jī)，橋機(jī)跨度27m，單臺(tái)橋機(jī)主梁每側(cè)輪子數(shù)量10個(gè)，兩臺(tái)橋機(jī)總額定起重量1400t，主梁的單個(gè)車輪最大輪壓為Pmax=850kN。

吊車梁布置在地下廠房機(jī)組段和安裝場(chǎng)洞段，單邊長(zhǎng)度為210m。圖1為吊車巖錨梁體型結(jié)構(gòu)布置，巖錨梁寬2.0m，高3.0m，壁坐角35°。吊車梁中上部設(shè)2排錨桿PSB830 φ40@70cm，長(zhǎng)度L=11m，仰角分別為25°和20°，錨桿孔口2m區(qū)域涂抹瀝青；吊車梁下部設(shè)1排普通砂漿錨桿HRB400 φ32@70cm，長(zhǎng)度L=9.0m。

圖1 巖錨梁體型結(jié)構(gòu)布置

2 蝕變帶區(qū)域地質(zhì)條件

在楊房溝水電站地下廠房“廠右0+5m～廠左0+35m”洞段下游邊墻開挖過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)開挖揭露該洞段發(fā)育斷層f83及擠壓破碎帶J145、J164等，其中斷層f83兩側(cè)影響帶寬0.5m～3.4m，影響帶內(nèi)斷層伴生節(jié)理發(fā)育，間距10cm～30cm，沿節(jié)理面有擠壓蝕變現(xiàn)象，影響帶巖體完整性差～較破碎，以Ⅲ2類圍巖為主，斷層帶內(nèi)為IV類。

現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)蝕變帶影響區(qū)域進(jìn)行了聲波測(cè)試、鉆孔攝像以及巖樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等補(bǔ)充物探。表1為蝕變帶影響區(qū)域巖樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)匯總表，圖2為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況推演獲得的蝕變帶圍巖開挖前后波速分布演化特征。

表1 蝕變帶影響區(qū)域巖樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)匯總

圖2 蝕變帶圍巖開挖前后波速分布演化特征

根據(jù)圖2所示：距下游邊墻約3m～4m巖體(包括斜巖臺(tái)及下部5m范圍內(nèi))屬于蝕變帶影響區(qū)域，巖體波速基本在3500m/s以下(花崗閃長(zhǎng)巖新鮮完整巖塊的平均聲波速度在6250m/s)，該區(qū)域淺表層巖體波速基本均低于3000m/s；根據(jù)表1所示：蝕變帶影響區(qū)域巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度最小值為4.3MPa，最大值為76.8MPa，平均值為40.4MPa(花崗閃長(zhǎng)巖新鮮完整巖塊的單軸飽和抗壓強(qiáng)度為80MPa)，小值平均值為23.5MPa。

經(jīng)綜合分析判斷，邊墻蝕變影響區(qū)域圍巖完整性較差、承載能力偏低，對(duì)巖錨梁整體穩(wěn)定不利。

3 蝕變帶巖錨梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和加強(qiáng)方案

金豐年等[1]認(rèn)為巖錨梁主要有3種破壞形式：①受拉錨桿破壞(屈服或被拔出)；②下部交界斜面剪切破壞(抗滑穩(wěn)定)；③下部交界斜面巖體被壓壞(基礎(chǔ)承載力不足)。

蝕變帶影響區(qū)域巖體完整性較差且深入圍巖達(dá)3m～4m、承載能力偏弱、混凝土/巖物理力學(xué)參數(shù)偏低，存在①、②和③類破壞的可能性，因此，有必要采取針對(duì)性加強(qiáng)措施。

經(jīng)初步計(jì)算，在不采取任何加強(qiáng)支護(hù)措施的條件下，蝕變帶區(qū)域巖錨梁抗滑穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求，結(jié)合考慮巖錨梁的3種破壞形式，針對(duì)巖體蝕變帶區(qū)域的巖錨梁，設(shè)計(jì)采用增設(shè)扶壁墻方案進(jìn)行加強(qiáng)處理，并利用預(yù)應(yīng)力錨索將扶壁墻固定在邊墻上(具體方案見圖3)。扶壁墻+預(yù)應(yīng)力錨索措施具有以下四個(gè)優(yōu)勢(shì)：①增加蝕變帶區(qū)域圍巖圍壓，提高圍巖承載能力；②增加巖錨梁豎向剛度，減小斜巖臺(tái)法向壓力；③扶壁墻與巖錨梁融為一體，提高巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全性；④降低后續(xù)開挖引起的蝕變帶區(qū)域圍巖卸荷松弛影響。

圖3 巖錨梁加強(qiáng)方案結(jié)構(gòu)示意

現(xiàn)場(chǎng)增設(shè)的扶壁墻采用50cm厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力錨索采用無(wú)粘結(jié)式，設(shè)計(jì)荷載采用2000kN，鎖定荷載采用1400kN。

4 巖錨梁抗滑穩(wěn)定分析及扶壁墻高度選擇

4.1 增設(shè)扶壁的巖錨梁抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法

對(duì)于未增設(shè)扶壁墻的巖錨梁，規(guī)范已給出經(jīng)典的單滑面抗剪斷強(qiáng)度公式，而增設(shè)扶壁墻的巖錨梁屬于雙滑面滑動(dòng)模式，規(guī)范并未給出明確的計(jì)算方法。考慮到設(shè)計(jì)采用的扶壁墻與巖錨梁在結(jié)構(gòu)上位移協(xié)調(diào)、內(nèi)力平衡特點(diǎn)，參考重力壩壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算(雙滑面，等K法)，增設(shè)扶壁墻的巖錨梁抗滑穩(wěn)定分析如圖4所示，抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式如下：

圖4 巖錨梁(增設(shè)扶壁墻)穩(wěn)定計(jì)算示意剖面

抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：

(1)

扶壁墻與巖錨梁位移協(xié)調(diào)、內(nèi)力平衡，η=η1=η2，即：

R1=[G1+FV+W)sinβ-Fhcosβ-Qsin(β-Ф)+

S1=(G1+Fv+W)cosβ+Fnsinβ-Qcos(β-Ф)

S2=QcosФ+G2

(2)

式中，Q和Ф分別為扶壁墻與巖錨梁之間的作用力及作用力與垂直面的夾角，從偏于安全考慮Ф可取為0。根據(jù)公式(2)求出接觸面抗力Q，再代入公式(1)，可求得扶壁墻和巖錨梁的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。按照《地下廠房巖壁吊車梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35079-2016)，該系數(shù)大于1.0即滿足規(guī)范要求。

4.2 扶壁墻高度選擇

從王宏利等[2]研究成果來(lái)看：扶壁墻結(jié)構(gòu)可以提高巖錨梁的穩(wěn)定性，但當(dāng)扶壁墻高度達(dá)到一定數(shù)值后，其對(duì)巖錨梁的抗滑穩(wěn)定安全性改善效果越來(lái)越不明顯。因此有必要針對(duì)蝕變帶區(qū)域扶壁墻高度進(jìn)行敏感性分析。

圖5為扶壁墻高度與巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系圖，由此可見：當(dāng)扶壁墻高度為2m、5m、9m時(shí)，巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，安全系數(shù)分別為1.05、1.15、1.16。對(duì)于蝕變帶區(qū)域的巖錨梁，扶壁墻結(jié)構(gòu)可以有效提高巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全性，但當(dāng)扶壁墻高度超過(guò)5m時(shí)，提升效果并不明顯。由此初步判斷：扶壁墻高度選擇2m或5m較為經(jīng)濟(jì)。

圖5 扶壁墻高度與巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系

圖6和圖7為巖壁角與巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系圖，由此可見：巖壁角與巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)成正比，巖壁角的增大有益于提高巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全性。當(dāng)巖壁角為30°時(shí)，增設(shè)2m扶壁墻的巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.95，不滿足規(guī)范要求；增設(shè)5m扶壁墻的巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.05，仍然滿足規(guī)范要求。

圖6 巖壁角與巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系(扶壁墻高度2m)

圖7 巖壁角與巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系(扶壁墻高度5m)

圖8為巖/混凝土粘聚力與巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系圖，由此可見：當(dāng)粘聚力為0時(shí)，增設(shè)5m扶壁墻的巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到1.10，仍然滿足規(guī)范要求。

圖8 巖/混凝土粘聚力與巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系(扶壁墻高度5m)

綜上判斷：扶壁墻高度選用5m是安全可靠且經(jīng)濟(jì)合理的。

5 蝕變帶區(qū)域巖錨梁穩(wěn)定性數(shù)值分析

對(duì)于常規(guī)巖錨梁設(shè)計(jì)，一般采用工程類比、經(jīng)驗(yàn)公式等方法，國(guó)內(nèi)外也曾做過(guò)模型試驗(yàn)以驗(yàn)證設(shè)計(jì)假定，但是，由于模型試驗(yàn)的局限性、圍巖條件的差異性和經(jīng)濟(jì)性等方面原因，模型試驗(yàn)并不是理想的解決問(wèn)題的辦法。因此，先按經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行巖錨梁的初步設(shè)計(jì)，接著通過(guò)三維非線性有限元數(shù)值模擬進(jìn)一步分析巖錨梁的受力狀態(tài)并復(fù)核各項(xiàng)指標(biāo)，這一思路已逐步為設(shè)計(jì)人員采用。本章將采用數(shù)值計(jì)算法分析蝕變帶區(qū)域增設(shè)扶壁墻的巖錨梁效果。

5.1 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

根據(jù)巖錨梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和加強(qiáng)方案(扶壁墻高度為5m)，建立如圖9所示數(shù)值計(jì)算模型，在巖壁和吊車梁之間設(shè)置interface接觸面單元。巖錨梁采用C30混凝土澆筑，相關(guān)計(jì)算參數(shù)取值見表2。

圖9 數(shù)值計(jì)算模型

表2 數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)取值

5.2 巖錨梁穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖10給出了增設(shè)扶壁墻方案下巖錨梁錨桿在施工期的受力特征，受廠房后續(xù)開挖卸荷影響，巖錨梁受拉錨桿應(yīng)力逐步增大，洞室開挖完成后巖錨梁受拉錨桿的應(yīng)力在200MPa左右。運(yùn)行期橋機(jī)輪壓荷載作用下，巖錨梁受拉錨桿應(yīng)力增量一般在40MPa左右，單根錨桿軸向應(yīng)力最大增量分布在吊車梁與巖壁交接處。如圖11所示。

圖10 施工期廠房開挖完成巖梁錨桿受力特征

圖11 橋機(jī)輪壓荷載作用下巖梁錨桿應(yīng)力增量

綜上所述，施工期開挖卸荷與運(yùn)行期輪壓荷載作用相互疊加情況下，巖錨梁錨桿應(yīng)力水平仍不高，具備較高的安全裕度。

根據(jù)運(yùn)行期巖錨梁與圍巖接觸面法向應(yīng)力分布特征(見圖12)，斜巖臺(tái)區(qū)域的壓應(yīng)力最大值僅在0.4MPa左右，結(jié)合蝕變帶影響區(qū)域巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)成果(表2)來(lái)看，蝕變帶影響區(qū)域圍巖承載能力滿足要求。

圖12 運(yùn)行期輪壓荷載下巖錨梁與圍巖接觸面法向應(yīng)力

增設(shè)扶壁墻方案能有效改善施工期和運(yùn)行期的巖錨梁與巖臺(tái)接觸面應(yīng)力狀態(tài)，但扶壁墻結(jié)構(gòu)自身的受力狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜，總體以豎向應(yīng)力為主。圖13給出了蝕變帶洞段巖錨梁扶壁墻豎向應(yīng)力云圖，扶壁墻豎向應(yīng)力分布特征：扶壁墻靠近圍巖一側(cè)處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力約1.1MPa；扶壁墻外側(cè)處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力約1.7MPa。設(shè)計(jì)采用應(yīng)力配筋法，針對(duì)扶壁墻配置雙層雙向鋼筋網(wǎng)φ25@200mm。

圖13 運(yùn)行期蝕變帶洞段巖錨梁扶壁墻豎向應(yīng)力云圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)巖體蝕變影響區(qū)域巖錨梁的穩(wěn)定性進(jìn)行探討，分別利用剛體極限平衡法和數(shù)值分析法，重點(diǎn)研究了蝕變帶巖錨梁增設(shè)扶壁墻的設(shè)計(jì)方案和加強(qiáng)效果。結(jié)論如下：

(1)巖錨梁增設(shè)扶壁墻結(jié)構(gòu)可有效提高巖錨梁的抗滑穩(wěn)定性，但當(dāng)扶壁墻超過(guò)一定高度后，其對(duì)巖錨梁的抗滑穩(wěn)定安全性改善效果將越來(lái)越不明顯。通過(guò)抗滑穩(wěn)定分析認(rèn)為：對(duì)于楊房溝地下廠房蝕變帶區(qū)域的巖錨梁，增設(shè)5m高的扶壁墻是安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的。

(2)扶壁墻結(jié)構(gòu)自身的受力狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜，靠近圍巖一側(cè)處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力可達(dá)到1.1MPa左右，設(shè)計(jì)在扶壁墻內(nèi)外側(cè)配置了雙層鋼筋網(wǎng)，防止扶壁墻在施工期和運(yùn)行期產(chǎn)生裂縫。

(3)數(shù)值計(jì)算表明，增設(shè)扶壁墻對(duì)運(yùn)行期巖錨梁穩(wěn)定有較好的控制效果，能夠有效地控制巖錨梁抗滑穩(wěn)定、巖錨梁基礎(chǔ)受力、錨桿受力，提高了巖錨梁在施工期和運(yùn)行期的安全裕度。