三板溪水电站地下厂房洞室群围岩稳定分析

三板溪水电站地下厂房洞室群围岩稳定分三板溪水电站地下厂房洞室群围岩稳定分析析2009 年 9 月中南水力发电第 3 期三板溪水电站地下厂房洞室群围岩稳定分析郑纯华(中南勘测设计研究院,湖南长沙 410014)摘要本文借三板溪水电站地下洞室群围岩稳定分析的过程.重点介绍采用三维有限元分析,同时利用三维块体分析洞室局部块体稳定并综合二者的分析结果作为洞室围岩支护设计的依据,从实际运行情况来看此方法是可靠的.关键词三板溪水电站地下厂房同岩稳定分析支护设计I 工程概况三板溪水电站发电厂房型式为地下厂房,布置在坝址的右岸山体内,装有 4250MW 混流式水轮发电机组.装机容量 1000MW.厂区主要建筑物有进厂交通洞,主厂房,中控楼副厂房,母线洞,主变洞及主变运输洞,电缆电梯竖井,高压电缆平洞及出线平台,主排风洞,排水廊道,帷幕灌浆廊道等.2 工程地质条件地下厂房所在的右岸山体雄厚,地形坡度 45.60.山顶高程在 600m 以上:洞室垂直埋深 220270m.水平埋深约 200380m.地下厂房岩性主要为板溪群清水江组第一段第 8 层厚层至巨厚层凝灰质粉细砂岩:地层呈单斜构造.岩层产状:走向 N30.45.E,倾向 SE,倾角 35.45.;断层主要有 NNE,NE,NW,NEE 向 4 组,规模较大的有 F 的,F 和 F.等.破碎带宽 0.251.2m,为工程区一级结构面.厂房内二级至三级结构面较发育,主要有层间错动,f.,石英脉 q.,岩屑凝灰岩夹层 S,夹泥裂隙 L.,L3和数条夹泥陡倾节理.其破碎带较窄.区内节理裂隙较发育,主要有走向 N45.W,N2.W 和 N3lOE 的 3组.倾角一般大于 70.大部分闭合.其中 NW 向节理最发育,一般为 15m;岩层层面结合好,层间结构面不发育;平缓节理稀少.长度小于 3m,多见于层间错动 f,附近.探洞内岩体一般见滴水,沿破碎带和 NW向张开裂隙地下水活动较明显.厂区实测最大主应力 11.5412.90MPa,方向为 304.24.326.18.倾角28.53.3.44.,岩石强度与最大主应力比大于 10.地质断层分类见图 l,2.图 1 主厂房顶拱围岩分类分区图/图 2 主变室顶拱围岩分类分区图第 3 期郑纯华三板溪水电站地下厂房洞室群围岩稳定分析 4l3 地下洞室群稳定分析地下厂房洞室群规模大,在相对集中的区域布置有主厂房,主变洞及母线洞,尾水管.主厂房纵轴线方向为 N85.E.主厂房 147.5mx21.0mx56.0m(长宽高),主变洞和尾闸室结合布置 111.6mx25.0mx32.5m(长宽高),其围岩稳定分析是工程设计的主要内容.围岩稳定主要采用三维有限元分析,同时采用三维块体分析洞室局部块体稳定.3.1 三维有限元稳定分析3.1.1 计算说明为合理选择地下洞室的围岩支护参数,确定地下洞室的合理施工开挖程序提供可靠依据,进行地下洞室围岩的三维有限元分析计算.根据工程总体布置的实际情况和工程布置区的地形地质条件,计算内容包括如下几个方面:(1)根据工程布置区实测地应力成果和地下水位.进行工程布置区的地应力和渗流场的反演分析计算.(2)采用三维非线性有限元方法,对拟定的支护参数进行分析研究,对支护参数的合理性进行评价论证.(3)采用三维非线性有限元方法,对拟定的施工开挖方案进行分析研究,对开挖方案的合理性进行评估论证,并视具体情况提出施工开挖程序的优化方案.主要计算荷载有:岩体自重,地应力场,上下游外水压力,渗流场等,不考虑温度作用影响.地应力场采用自重应力和实测地应力分别计算.针对地下厂房岩体物理力学参数 f 岩石结构面之间的凝聚力,摩擦系数)等变化,地下厂房洞室群围岩稳定的敏感性,确定影响围岩稳定的最敏感因素分别计算上述各参数增加 l0%,20%和减少 10%,20%时,地下厂房洞室群围岩稳定性的变化情况.(4)三维计算的范嗣平面范围:上游至进水口以上 150m,下游至尾水出口以下 150m,左侧(河床侧)至山体自然边坡以外 200m,右侧至安装问侧墙以外 250m.垂直方向:顶拱至地表面,向下为尾水管底板以下 200m.分析方法采用_一维非线性弹塑性有限元计算方法.并且考虑结构受力进人塑性之后.现损伤破坏,使结构的承载能力下降.3.1.2 计算成果及分析(1)采用三维有限元反演拟合的初始应力场,综合反应了地形地貌对初始应力场的影响.在地下厂房处初始应力场主要由自重应力构成,属于中等偏低的应力场.(2)由于地下厂房洞室岩体受断层 f.和 q.影响,在无支护条件下,主厂房洞室上下游边墙的剪切塑性破坏区较大.下游侧墙加上母线洞和通风洞开挖的影响:对主厂房和主变洞之间的岩体应力扰动较大,两洞之间的岩体被塑性区贯通,对断层处需重点支护.(3)采用从上往下的分期开挖方式,在无支护情况下,当第五期开挖到主厂房中下部时.围岩的破坏体积和塑性耗散能有较大的增加,特别是第七期开挖完毕,岩体破坏量有较大突变,对洞室围岩稳定有较大影响.所以对于主厂房下部开挖,应尽可能采用小步骤开挖,控制爆破量,减小围岩应力扰动.(4)采用锚固支护后,有效地改善了围岩的稳定条件,使主厂房上下游的位移和塑性破坏区有了很大的减少.除了断层穿过部位外,岩体的破坏区基本限制在洞周.说明锚固支护极大地改善了地下洞室围岩稳定条件,采用系统锚杆支护基本上是可行的.(5)除了洞室交叉口外,主厂房边墙的喷层应力均不大,采用一般锚喷支护是可行的.在洞室交叉口处岩体应力集中较明显,喷层应力也较大.建议在洞室交口处,增加一些斜长超前锚杆,并增加洞口的混凝土锁口衬砌.(6)主厂房顶拱的探洞影响范围主要限制在探洞周围,对主厂房顶拱的局部破坏区,应类,大多为类.块体分析表明顶拱塌落高度一般为 4.669.32m,边墙处与 F 回等破碎带组合成的第 1 类楔体稳定系数较低,尤其在下游边墙及东端墙与 2 组随机节理组成的第 l 类楔体可能失稳.第 2 类楔体出现情况同厂房相似,故在 F 鹋等软弱结构面应加强支护处理,节理楔体一般考虑系统锚杆支护.4 结论根据以上的计算分析,三板溪水电站地下洞室群的围岩总体上是稳定的.厂房的支护设计以此为主要依据确定了主厂房,主变洞等洞室的系统支护参数.同时根据洞室实际开挖的地质情况设计时做了局部加强支护主要是增加 f 和上下游边墙局部锚固处理确保洞室稳定.工程已投人运行至今,洞室稳定未发现异常.趋于正常运行状态.说明三板溪地下厂房洞室群稳定分析及支护设计正确合理.收稿日期:20090901(上接第 28 页)且养护工作又不到位,导致压力墙出现了多条裂缝,并发现其下部有少量施工用水渗出,说明压力墙内部浇筑也不十分密实.经研究,除对表面裂缝采用环氧砂浆封闭外,对进水口压力墙进行了密实性灌浆处理由于过分追求进度施工,可能会对工程造成永久性损害,后续处理措施所花费的代价往往会更大.4 结语河床式厂房在中低水头的水电工程中应用十分广泛,本工程的一些设计经验和体会可供类似工程参考.收稿日期:20090625