朱颖儒，张利平，石 昊

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065）

0 前言

水电站调压井是一种典型的地下工程,在水电站引水发电系统中起着举足轻重的作用[1]。随着应用的发展,调压井型式越来越多样化,大直径异形调压井结构的运用也越来越多,调压井与围岩联合工作的条件及影响硐室稳定性的因素愈加多样复杂,围岩的稳定性和支护结构的可靠性对调压井安全至关重要,因此,采用有限元方法对复杂地质条件下的大型地下硐室结构施工期进行围岩稳定的分析显得尤为重要[1-3]。在调压井开挖施工过程中,充分研究开挖后围岩的应力、变形分布规律、块体稳定以及塑性区演化过程,不仅可以作为判断围岩稳定的依据,同时也可以为硐室群支护方案的有效性进行评价[4-7]。本文以某水电站大型多岔调压井为研究对象,通过三维有限元计算方法对调压井开挖施工期围岩稳定及块体稳定进行分析,得到施工期调压井围岩的应力场、位移场及塑性区分布等特性,了解施工期围岩稳定情况,并据此提出合理的一期开挖支护措施型式。

1 工程概况

某水电站为混合式电站,工程主要任务是发电。该电站引水系统主要建筑物包括进水口、引水隧洞、调压井和压力管道。引水系统总长约5.2 km,引水隧洞衬砌后直径11.4 m,在引水隧洞末端约4.5 km 处设置调压井。井内连接有7 条洞室,分别为1 条引水隧洞、1 条调压井交通洞、5 条发电洞,调压井下游设置事故闸室,调压井开挖断面为圆形+扇形异形结构,最大开挖直径为50.8 m,最大开挖跨度62.4 m,开挖深度为133.2 m,尤其是闸室顶拱部位设计半径方向扩挖7.4 m,形成一弧形倒悬反拱,为超大直径异形多岔调压井结构。调压井布置见图1。

图1 调压井布置

参考类似工程,初拟一期开挖支护措施为：挂网喷混凝土（SFR40,厚10 cm）,锚杆L=9 m、间排距2 m,直径28 mm。

2 工程地质基本条件

本工程调压井位于山梁部位,其地下水排泄条件较好,调压井整体位于地下水位以上。调压井高程EL.570.00 m 以上井壁稳定性差,为Ⅳ类围岩，EL.506.00 m~EL.570.00 m 段井壁稳定性一般,围岩为Ⅲ类,断层破碎带及裂隙密集带段为Ⅳ类围岩。

调压井段岩体中裂隙主要分为3 组，第①组产状NW276°~300°SW ∠53°~69°,裂隙一般宽0.2 cm~0.3 cm,充填岩粉,钙膜,局部为石英脉,地表裂隙张开,无充填,胶结一般,该组倾角陡,对调压井井壁稳定不利；第②组产状NE35°~73°SE ∠60°~80°,宽0.1 cm~0.3 cm,充填岩片、岩屑,面平直较光滑,倾角陡,对调压井井壁稳定不利。第③组为片麻理面裂隙,NE50°~85°NW ∠15°~25°,充填岩屑,局部充填石英脉,胶结一般,面平直稍粗糙。调压井围岩的物理力学参数见表1,裂隙结构面力学参数见表2。

表1 调压井围岩物理力学参数表

表2 结构面力学参数

3 围岩稳定性分析

3.1 三维有限元模型的建立

根据调压井结构及参照以往工程经验,开挖施工过程模拟分6 个阶段,即第1 阶段：开挖调压井竖井EL.615.0 m至 EL.600 m；第2 阶段：开挖调压井竖井EL.600.0 m 至EL.564.0 m；第3 阶段：开挖调压井竖井EL.564.0 m 至EL.537.0 m；第4 阶段：开挖调压井竖井EL.537.0 m 至EL.513.0 m；第5 阶段：开挖调压井竖井EL.513.0 m 至EL.497.0 m；第6 阶段：开挖调压井竖井EL.497.0 m 至EL.481.5 m,建立三维有限元模型见图2,模型采用直角坐标系,X 轴代表顺水流方向,指向下游为正；Y 轴代表垂直水流方向,左岸为正；Z 轴代表竖直方向,指向上为正。模型单元总数为382580 个,节点总数为103771 个,锚杆用杆单元模拟,围岩用Solid 单元模拟。

图2 调压井计算及支护模型

3.2 三维有限元计算结果及分析

在自重初始应力场下,调压井开挖结束后,围岩塑性区主要出现在EL.513.0 m 以下,见图3,在靠近流道上游,围岩受两侧开挖的影响,塑性区的最大深度12.5 m；竖井与发电洞交叉口围岩处于塑性状态,围岩塑性区的最大深度5.0 m。EL.513.0 m 以上，围岩塑性区分布的范围很小，最大深度5.6 m,最大锚杆拉应力出现在流道开挖交叉口处,锚杆拉应力在250 MPa 以下,小于锚杆屈服强度450 MPa。EL.513.00 m以下的塑性区部分深度已经大于锚杆深度,但90%锚杆长度已经穿过围岩塑性区或大于70%的塑性区深度；EL.513.00 m以上的锚杆长度基本穿过塑性区深度。

图3 调压井开挖围岩塑性区分布

调压井自重应力场较小,水平面开挖轮廓基本呈圆形,因此,调压井每一阶段开挖卸荷的最大水平变形增加幅度较小,调压井开挖结束后由于开挖引起的最大水平变形约为8.1 mm。每一阶段开挖后最大水平变形见图4。

图4 每一阶段开挖后最大水平变形

图5 EL.615~EL.513 的楔形体分布及支护图

图6 EL.513~EL.495 的楔形体分布及支护图

图7 EL.495~EL.481.5 的楔形体分布及支护图

3.3 块体稳定分析

基于块体理论对几组裂隙可能组成的块体进行块体稳定分析,其结果如下：

（1）在围岩中延伸深度较大的块体,自然状态下,即不考虑支护,安全系数大于1.5。

（2）在喷锚系统支护下,井壁上所有楔形体安全系数大于1.5,说明一期支护措施满足要求。

（3）在施工开挖过程中,如果一期系统支护措施不及时或不支护,由于开挖卸荷,岩体松弛的影响,岩体的结构面凝聚会大幅度降低,甚至降到0,当等于0 时,部分块体的安全系数小于1.0,因此,若不及时施加一期系统支护措施,围岩就会发生渐进性的剥落或塌落破坏,拖延的时间过长,甚至会导致较大的塌方。

3.4 支护措施优化结果

根据施工力学过程三维有限元模拟计算和块体稳定分析,提出的支护措施为：挂网喷混凝土（SFR40,厚10cm）；EL.513.0 以上布置系统锚杆,直径32 mm,长度6.0 m/4.5 m,间距2 m×2.0 m（水平向×竖直向）矩形布置； EL.481.5 至EL.513.0 布置系统锚杆,直径32 mm,长度9 m,间距2 m×2.0 m（水平向×竖直向）矩形布置；考虑EL.513 m 上部反拱稳定需要,在EL.513 m 高程倒悬体以上布置5 排直径32 mm,长度12 m,间距1 m×1 m 的长锚杆。

4 现场开挖方式及支护效果分析

根据调压井结构及布置形式,分别在井口以下20 m（EL.596.00 m）及闸室倒悬体上部2.3 m（EL.516.00 m）处布置多点位移计、锚杆应力计及测缝计等,图8 中R 代表锚杆应力计,M 代表多点位移计。

图8 调压井监测仪器布置图

为满足施工工期要求及合理配置现场资源,调压井开挖时并未采取全断面开挖下降方式,而是将井划分为三个区域,分别进行钻孔、出渣、支护作业,采用环向工序循环加纵向工序循环的方式进行开挖,开挖面高程呈环向阶梯状螺旋下降,各分区面积基本相同,见图9。

图9 调压井开挖分区布置图

EL.513.70 m 以下事故闸室反拱开挖方式见图10：EL.513.70 m 反拱上部L=12 m 锚杆先安装就位,按井筒上部断面挖至EL.507.50 m,再按图5 所示挖掉6.2 m×6.2 m×7.3 m的岩体,随即实施该岩体范围内喷锚支护,然后按相同步骤向两侧扩挖并支护,最后沿高程下挖。

图10 调压井事故闸室反拱开挖示意图

监测数据见图11~图12,锚杆应力与围岩变形相对较大区域与三维有限元计算结果规律一致,均发生在开挖交叉处,调压井围岩整体变形及锚杆应力均满足设计要求,围岩开挖支护后整体稳定很好,基本没有发生局部塌方,说明原设计支护措施和竖井开挖工艺是成功的,获得良好的经济效益。

图11 锚杆应力计监测值

图12 多点位移计监测值

事故闸室倒悬处实测值比计算值大幅度偏小的主要原因可以归结于以下三个方面,一是由于实际开挖瞬间卸荷,计算得出的变形是竖井整个开挖全过程变形完整的积累,不存在时间滞后效应,而多点位移计监测到的变形通常具有很大的滞后效应,对于本工程来说,埋在高程516.0 m 的多点位移计基本测不到高程516.0 m 以上开挖卸荷引起的围岩变形,主要测到的是5 阶段和6 阶段的开挖变形即高程516.0 m 至高程481.5 m 段岩体开挖所引起的变形,根据图4 可得出该阶段开挖所引起的总变形约为1.5 mm~3.9 mm,是图12 最大监测变形值的0.94~2.45倍；二是岩体是一种非常不均匀介质,难以给出准确的物理力学特性指标；三是岩体初始地应力分布和量值也存在不准确性。

5 结语

（1）通过对某大型多岔调压井结构施工开挖期围岩稳定及块体稳定分析,得到围岩变形、塑性区分布等特性,提出了技术上可行、经济效果比较显著的围岩支护措施。

（2）根据现场实测监测数据分析,围岩最大变形区域与三维计算结果规律一致,最大变形与锚杆应力实测值均与拟定的开挖方式下的计算成果具有很好的一致性。

（3）大型竖井开挖支护后的效果和监测结果表明优化的开挖方式对围岩稳定起到一定作用,优化的支护措施是可行的。