硬梁包水电站尾水洞围岩稳定计算分析

2021-07-01李凌霞熊先涛侯东奇

水电站设计 2021年2期

李凌霞，陈涛，熊先涛，侯东奇

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2.四川华能泸定水电有限公司，四川成都 626000)

1 工程概况

硬梁包水电站位于四川省甘孜州泸定县冷碛镇境内的大渡河干流，上游为泸定水电站，下游梯级衔接大岗山水电站。枢纽采用“混凝土闸和面板堆石坝+左岸引水系统+地下厂房”的总布置方案，电站总装机容量111.6万kW。本枢纽厂区尾水建筑物主要由尾闸室、尾水洞及尾水渠建筑物组成，并采用两条无压尾水洞(“两机一洞”)+尾水闸室(室内交汇)的布置方案[1]。

1.1 尾水洞地质条件

硬梁包水电站的厂区应力场属中～高地应力，以近EW～NWW向中～高构造应力为主，迭加自重应力。尾水洞主要位于微新闪长岩中，最大垂直埋深约630 m，总体上地质条件较好，以Ⅲ类为主，但局部洞段穿过F1、F2和F4断层及其影响带段，岩体呈块裂-碎裂结构，且断层之间发育有矿物定向排列、蚀变带、英云团块等破碎岩体，围岩条件复杂。尾水洞区域的断层性状如表1所示。厂址区1 149.0 m高程工程地质平切示意见图1。

表1 硬梁包尾水洞区域断层特性

图1 厂址区1 149.0 m高程工程地质平切示意

1.2 尾水洞结构布置

硬梁包水电站两条尾水洞平行布置，洞轴线间距56 m，1号尾水洞长1 066.75 m，2号尾水洞长1 161.13 m，两条尾水洞的纵坡均为0。尾水隧洞采用6.0 m×21.20 m(宽×高)城门洞型，洞顶高程为1 143.20 m，底板高程为1 122.00 m，净断面面积318.96 m2。为降低尾水隧洞底板与边墙的应力集中现象，采用R100 cm进行倒角连接。硬梁包尾水洞支护设计见表2。

表2 硬梁包尾水洞支护设计

2 计算模型与参数

硬梁包水电站尾水洞的跨度大、洞较长，且围岩条件复杂，有必要对工程进行围岩的稳定安全计算，并研究围岩和支护结构的受力变形情况，为工程的设计和施工提供支撑数值。鉴于隧洞围岩的稳定问题，可以将其简化成平面应变问题。本次计算选用ABAQUS软件[2]，沿尾水洞轴线截取4个典型剖面，进行开挖完成以及正常运行和检修等工况下的非线性有限元计算。岩体采用Mohr-Coulomb材料模型，锚杆和混凝土衬砌采用线弹性材料模型[3-5]。

2.1 典型剖面与数值模型

根据硬梁包尾水洞的地质条件，截取Ⅲ1类围岩和 Ⅳ 类围岩以及断层影响洞段的4个典型剖面进行计算，即A1-A2、B1-B2、C1-C2、D1-D2。4个剖面的有限元模型如图2～5所示，模型特征如表3所示。

表3 有限元模型特征

图2 A1-A2有限元模型图3 B1-B2有限元模型

2.2 材料参数

本次计算的岩体材料参数见表4。

图4 C1-C2有限元模型图5 D1-D2有限元模型

表4 岩体材料参数

2.3 计算工况

本次计算包含开挖完成以及正常运行和检修等工况，各工况的荷载组合如表5所示。鉴于尾水洞布置有排水设施，本次计算外部地下水位取至尾水洞洞顶。根据《水工隧洞设计规范》，Ⅲ1、Ⅳ、Ⅴ类围岩外水压力折减系数分别取0.20、0.35、0.35。内水位为正常运行水位1 133.72 m。

表5 计算工况与荷载组合

3 计算结果分析

各剖面的典型计算结果云图如图6所示。根据计算结果分析如下。

图6 硬梁包尾水洞计算结果云图

(1)Ⅲ1类围岩洞段各工况下，围岩和支护结构受力变形较小，围岩整体稳定性较好，衬砌厚度满足受力要求。

(2)开挖完成工况下，各剖面的围岩变形最大。受Ⅴ类围岩影响，B1-B2剖面1号尾水洞底板左侧部位的围岩位移达0.32 m。D1-D2剖面1号尾水洞顶拱和左侧边墙部位的围岩位移约0.30 m。受Ⅳ类围岩影响，C1-C2剖面1号尾水洞底板中部位移约0.11 m。

(3)正常运行工况下，受Ⅴ类围岩影响，B1-B2剖面和D1-D2剖面衬砌拉应力较大。B1-B2剖面2号尾水洞衬砌的边墙部位拉应力为3.68 MPa，D1-D2剖面1号尾水洞衬砌顶拱、2号尾水洞衬砌左边墙中部部位受拉，约1.80～1.90 MPa。

(4)由各剖面塑性区结果可知，Ⅳ类、Ⅴ类围岩产生塑性区范围较大。B1-B2剖面1号尾水洞墙角和2号尾水洞左边墙中部的围岩产生塑性区，范围约10 m。C1-C2剖面1号尾水洞墙角和岩柱内产生范围较广的塑性区，最大延伸超过20 m。D1-D2剖面1号尾水洞左侧边墙围岩产生较大范围塑性区，向外延伸约20 m。

硬梁包尾水洞计算结果见表6。