張 帥，周 勇,2，潘 兵,2，蔡 波，吳 疆

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.浙江中科依泰斯卡巖石工程研發(fā)有限公司，浙江 杭州 310014)

楊房溝水電站位于四川省涼山州境內(nèi)的雅礱江中游河段上，屬一等大(1)型工程。樞紐主要建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物主要由進(jìn)水口、引水隧洞、主副廠房洞、主變室、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、尾閘洞、地面出線場(chǎng)、地下廠房輔助洞室群等組成，見(jiàn)圖1所示。主副廠房洞室開(kāi)挖尺寸為230 m×30 m×75.57 m(長(zhǎng)×寬×高)，布置4臺(tái)單機(jī)容量375 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 500 MW，保證出力523.3 MW，多年平均發(fā)電量為68.557億kW·h。

1 問(wèn)題的提出

水電站廠房洞室群排水廊道的主要目的是為減少洞室頂拱和邊墻在施工期和運(yùn)行期的滲水問(wèn)題，降低地下水滲透壓力[1-2]。有時(shí)先行開(kāi)挖排水廊道也可起到補(bǔ)充或輔助勘探的作用。一般情況下，考慮到地下水滲漏通道情況復(fù)雜，要達(dá)到較好的排水效果，排水廊道距離廠房洞室群不宜太遠(yuǎn)，但又要減少對(duì)地下洞室應(yīng)力場(chǎng)的影響，距離一般在15～25 m。在大型水電站廠房洞室群開(kāi)挖中，一般會(huì)涉及多層(3層左右)排水系統(tǒng)，與洞室群的空間關(guān)系復(fù)雜，因此盡量減少排水系統(tǒng)開(kāi)挖對(duì)主洞室的施工干擾是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)和施工人員需要關(guān)注的重點(diǎn)。工程現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)廠房洞室群多層排水廊道的開(kāi)挖順序進(jìn)行合理優(yōu)化和調(diào)整十分必要。

圖1 廠房洞室群三維效果圖

針對(duì)楊房溝廠房洞室群在不同高程布置的三層排水廊道系統(tǒng)，考慮到洞室群(主廠房、主變洞、尾調(diào)室等)總的規(guī)模偏大，后續(xù)開(kāi)挖中存在的高邊墻圍巖變形和松弛問(wèn)題、群洞效應(yīng)問(wèn)題等將逐步顯現(xiàn)，洞室圍巖變形深度和應(yīng)力調(diào)整幅度均將一定程度上影響到周邊布置的小洞室，故需要關(guān)注鄰近部位小洞室的開(kāi)挖影響特征，合理擬定各洞室的開(kāi)挖方案與開(kāi)挖時(shí)機(jī)。

2 研究方案

針對(duì)上述工程問(wèn)題，有必要對(duì)廠房洞室群排水廊道與三大洞室的開(kāi)挖順序或開(kāi)挖時(shí)機(jī)展開(kāi)計(jì)算分析，通過(guò)對(duì)比不同方案下洞室群圍巖的開(kāi)挖力學(xué)響應(yīng)特征，評(píng)估排水廊道的不同開(kāi)挖時(shí)機(jī)對(duì)洞群圍巖整體穩(wěn)定性的影響。

廠房洞室群的空間分布及分層開(kāi)挖方案如圖2所示。本文數(shù)值計(jì)算分析共擬定3種不同開(kāi)挖順序方案(方案一、方案二、方案三)，用以分析評(píng)價(jià)各層排水廊道在不同順序下開(kāi)挖對(duì)三大洞室圍巖穩(wěn)定的影響差異，各方案的具體開(kāi)挖順序見(jiàn)表1中所述。

圖2 開(kāi)挖順序示意圖(單位：m)

開(kāi)挖方案開(kāi)挖順序方案一排水廊道與三大洞室同步開(kāi)挖:①上層排水廊道+上層洞室→②中層排水廊道+中層洞室→③下層排水廊道+下層洞室方案二三大洞室開(kāi)挖相對(duì)滯后于排水廊道:①上層排水廊道→②上層洞室→③中層排水廊道→④中層洞室→⑤下層排水廊道→⑥下層洞室方案三排水廊道開(kāi)挖相對(duì)滯后于三大洞室:①上層洞室→②上層排水廊道→③中層洞室→④中層排水廊道→⑤下層洞室→⑥下層排水廊道

3 數(shù)值計(jì)算模型與巖體力學(xué)參數(shù)

3.1 計(jì)算方法與計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算采用基于連續(xù)力學(xué)假定的FLAC3D程序[3]。圖3為楊房溝地下廠房洞室群洞群數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)化二維模型，該計(jì)算模型中包含了主廠房、主變洞、尾調(diào)室、排水廊道等，各洞室空間分布關(guān)系見(jiàn)圖3所示。

圖3 廠房洞室群開(kāi)挖簡(jiǎn)化二維模型

3.2 巖體本構(gòu)模型及力學(xué)參數(shù)取值

研究區(qū)圍巖主要為花崗閃長(zhǎng)巖，圍巖類別以II和III類為主，部分洞段節(jié)理裂隙較為發(fā)育，洞室開(kāi)挖成型一般，具體取值如表2所示。巖體本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，該準(zhǔn)則是傳統(tǒng)Mohr-Coulomb剪切屈服準(zhǔn)則與拉伸屈服準(zhǔn)則相結(jié)合的復(fù)合屈服準(zhǔn)則。

3.3 初始地應(yīng)力場(chǎng)

巖體地應(yīng)力場(chǎng)是地下工程最為重要的荷載之一，數(shù)值計(jì)算最基本的基礎(chǔ)是荷載-位移、或應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，因此地應(yīng)力場(chǎng)的準(zhǔn)確性直接影響到了計(jì)算成果的可靠性。楊房溝水電站廠房地下洞室群的地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律主要依據(jù)可行性研究階段現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試和地應(yīng)力反演分析成果。表3給出了其中典型高程1 940 m和2 040 m處的地應(yīng)力量值和方位角，該地應(yīng)力特征可作為此次洞群開(kāi)挖影響分析的初始地應(yīng)力條件。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表

表3 洞群典型高程的地應(yīng)力分布情況

4 數(shù)值計(jì)算分析

通過(guò)數(shù)值計(jì)算分別獲得計(jì)算方案一、方案二和方案三條件下，洞室群典型開(kāi)挖階段的圍巖開(kāi)挖響應(yīng)規(guī)律，包括變形場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及塑性屈服區(qū)等分布情況，對(duì)比各方案下排水廊道開(kāi)挖對(duì)洞群圍巖整體穩(wěn)定性影響特征，在此基礎(chǔ)上，分析和評(píng)估各層排水廊道的合理開(kāi)挖時(shí)機(jī)。

4.1 上層排水廊道開(kāi)挖圍巖響應(yīng)特征

圖4給出了三種開(kāi)挖方案下洞群圍巖變形響應(yīng)特征，洞群上層開(kāi)挖完成后，三種開(kāi)挖方案下洞群圍巖變形分布特征基本一致，洞室頂拱以豎直向下變形為主，底板主要為回彈變形。洞群上層開(kāi)挖后，主廠房頂拱變形量約為22 mm，主變洞頂拱變形量約為13 mm，尾調(diào)室頂拱變形量約為17 mm，排水廊道圍巖變形量級(jí)一般小于5 mm。三種方案下洞室關(guān)鍵部位的變形基本一致，各方案之間的差異均在0.5 mm以內(nèi)。從變形的角度，由于排水廊道開(kāi)挖斷面較小，距離洞群主洞室有一定距離，此開(kāi)挖階段，洞群主洞室與排水廊道之間的開(kāi)挖影響很小。

圖5和圖6分別給出了三種開(kāi)挖方案下洞群上層開(kāi)挖完成后圍巖最大、最小主應(yīng)力分布特征，三種開(kāi)挖方案下洞群圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征基本一致，排水廊道開(kāi)挖對(duì)三大洞室圍巖應(yīng)力分布影響有限。

圖7給出了三種開(kāi)挖方案下洞群上層開(kāi)挖完成后，圍巖塑性區(qū)分布特征。三種方案下的洞群圍巖塑性區(qū)分布特征基本一致，主廠房拱頂塑性區(qū)深度2～4 m，主變洞塑性區(qū)深度2 m左右，尾調(diào)室頂拱塑性區(qū)深度2～3 m。上層排水廊道本身洞徑小，開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)很小，深度在0.5 m左右，與主洞室之間的巖柱均具有足夠的彈性厚度。此開(kāi)挖階段，各洞室洞間巖柱均具有足夠的彈性厚度，各洞室之間的開(kāi)挖干擾較弱，各洞室圍巖穩(wěn)定性較好。

總體上，廠房洞室群上層開(kāi)挖完成后，洞群圍巖總體穩(wěn)定性良好，圍巖的變形量、塑性屈服深度均較小，各洞室之間的相互影響很小。從洞室群開(kāi)挖的力學(xué)響應(yīng)特征看，上層排水廊道的開(kāi)挖緊迫性并不強(qiáng)，其超前或滯后主洞室上層開(kāi)挖均不會(huì)對(duì)洞群整體變形及穩(wěn)定造成較明顯影響?，F(xiàn)階段主洞室現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程中并未出現(xiàn)受鄰洞開(kāi)挖影響導(dǎo)致的圍巖穩(wěn)定問(wèn)題。

圖4 上層排水廊道開(kāi)挖圍巖變形特征

圖5 上層排水廊道開(kāi)挖圍巖最大主應(yīng)力分布

圖6 上層排水廊道開(kāi)挖圍巖最小主應(yīng)力分布

圖7 上層排水廊道開(kāi)挖圍巖塑性區(qū)分布特征

4.2 中層排水廊道開(kāi)挖圍巖響應(yīng)特征

圖8給出了三種開(kāi)挖方案下廠房洞室群上、中層開(kāi)挖完成后的圍巖變形響應(yīng)特征。此開(kāi)挖階段，各方案洞群圍巖變形分布特征基本一致。主廠房頂拱變形量為10～24 mm，上游邊墻變形量一般為30～50 mm，下游邊墻變形量一般為30～40 mm；主變洞頂拱變形量為10～20 mm，上游邊墻變形量一般為20～30 mm，下游邊墻變形為10～15 mm。尾調(diào)室頂拱變形量為10～20 mm，上游邊墻變形量一般為45～55 mm，下游邊墻變形一般為50～60 mm。

圖9和圖10分別給出了三種開(kāi)挖方案下廠房洞室群上、中層開(kāi)挖完成后的圍巖最大、最小主應(yīng)力分布特征，三種開(kāi)挖方案下洞群圍巖應(yīng)力分布特征具有相似的規(guī)律。主洞室的開(kāi)挖對(duì)中層排水廊道圍巖應(yīng)力分布特征具有一定的影響。

圖11給出了廠房洞室群上、中層開(kāi)挖完成后的圍巖塑性區(qū)分布特征。此開(kāi)挖階段，主廠房拱頂塑性區(qū)深度一般在2～4 m，廠房上游邊墻塑性區(qū)深度5～7 m，下游邊墻塑性區(qū)深度略大，在6～9 m；主變室頂拱圍巖塑性區(qū)深度1.5～2.5 m，邊墻塑性區(qū)深度4～6 m。尾調(diào)室頂拱圍巖塑性區(qū)深度2～3.6 m，邊墻塑性區(qū)深度5～10 m，排水廊道塑性區(qū)較小，在0.5～1.0 m。各洞室間塑性區(qū)均未貫通，且具有足夠的安全厚度。

對(duì)比三種開(kāi)挖方案，洞群圍巖變形、應(yīng)力狀態(tài)及塑性區(qū)分布范圍差異不明顯。相對(duì)前一階段開(kāi)挖，各主洞室邊墻圍巖變形及應(yīng)力松弛問(wèn)題隨洞室下挖開(kāi)始顯現(xiàn)，各主洞室開(kāi)挖擾動(dòng)范圍擴(kuò)大，圍巖變形影響區(qū)或應(yīng)力調(diào)整區(qū)與鄰近部位的排水廊道間存在一定的相互影響，影響范圍主要涵蓋中層排水廊道。從各洞室塑性屈服區(qū)的分布特征看，各洞室的洞間巖柱仍具有足夠的彈性厚度，各洞室之間的開(kāi)挖干擾較弱，洞群整體穩(wěn)定性相對(duì)較好。總體而言，廠房洞室群中層開(kāi)挖完成后，洞群圍巖總體穩(wěn)定性較好，各洞室之間的相互影響較小，中層排水廊道的開(kāi)挖不會(huì)明顯影響主洞室的圍巖穩(wěn)定。

圖8 中層排水廊道開(kāi)挖圍巖變形特征

圖9 中層排水廊道開(kāi)挖圍巖最大主應(yīng)力分布

圖10 中層排水廊道開(kāi)挖圍巖最小主應(yīng)力分布

圖11 中層排水廊道開(kāi)挖圍巖塑性區(qū)分布特征

4.3 下層排水廊道開(kāi)挖圍巖響應(yīng)特征

圖12給出了三種方案下廠房洞室群上、中、下層開(kāi)挖完成后的圍巖變形響應(yīng)情況，三種開(kāi)挖方案下洞群圍巖變形分布特征具有相似的規(guī)律，主洞室受鄰近排水廊道的開(kāi)挖影響很小。主廠房頂拱變形量為10～26 mm，巖錨梁位置圍巖變形在60～66 mm，上游邊墻變形量一般為65～75 mm，略大于下游邊墻變形；主變洞頂拱變形量為10～30 mm，邊墻變形量一般為10～25 mm；尾調(diào)室頂拱變形量為10～20 mm，上游邊墻變形量一般為60～75 mm，下游邊墻變形一般為70～90 mm。

圖13和圖14分別給出了三種方案下廠房洞室群上、中、下層開(kāi)挖完成后的圍巖最大、最小主應(yīng)力分布特征，排水廊道開(kāi)挖對(duì)三大洞室圍巖應(yīng)力分布影響有限，三種開(kāi)挖方案下洞群圍巖應(yīng)力分布特征基本一致，主洞室受鄰近排水廊道的開(kāi)挖影響小。

圖15給出了三種方案下廠房洞室群上、中、下層開(kāi)挖完成后的圍巖塑性區(qū)分布特征，受洞室后續(xù)開(kāi)挖影響上層排水廊道和下層排水廊道圍巖塑性區(qū)較小，在0.5～1.0 m；中層排水廊道圍巖塑性區(qū)范圍受主廠房和尾調(diào)室下臥開(kāi)挖有增大趨勢(shì)，主廠房上游側(cè)中層排水廊道塑性區(qū)深度增長(zhǎng)約1～2 m，而主變室和尾調(diào)室之間的中層排水廊道塑性區(qū)范圍增長(zhǎng)較大，存在貫通趨勢(shì)?？梢?jiàn)，主洞室的開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)鄰近部位的中層排水廊道存在一定程度的影響。

對(duì)比三種開(kāi)挖方案，洞群圍巖變形、應(yīng)力狀態(tài)及塑性區(qū)分布范圍差異不明顯。相對(duì)前一階段開(kāi)挖，廠房和尾調(diào)室邊墻圍巖變形及應(yīng)力松弛問(wèn)題變得突出，各主洞室開(kāi)挖擾動(dòng)范圍對(duì)中層排水廊道存在一定的影響，主廠房下層開(kāi)挖對(duì)其上游側(cè)的排水廊道影響較小。從各洞室塑性屈服區(qū)的分布特征看，主洞室的開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)鄰近部位的中層排水廊道存在一定程度的影響，其中主變洞和尾調(diào)室間的中層排水廊道開(kāi)挖需要加以關(guān)注，塑性區(qū)存在貫通趨勢(shì)。

總體上，廠房洞室群中層開(kāi)挖完成后，洞群圍巖具備一定的整體穩(wěn)定性，各主洞室之間的相互影響較小。在各主洞室進(jìn)一步下臥過(guò)程中，會(huì)對(duì)中層排水廊道的圍巖變形及穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響，后續(xù)開(kāi)挖應(yīng)關(guān)注中層排水廊道的開(kāi)挖時(shí)機(jī)問(wèn)題。

圖12 下層排水廊道開(kāi)挖圍巖變形特征

圖13 下層排水廊道開(kāi)挖圍巖最大主應(yīng)力分布

圖14 下層排水廊道開(kāi)挖圍巖最小主應(yīng)力分布

圖15 下層排水廊道開(kāi)挖圍巖塑性區(qū)分布特征

5 結(jié)論與建議

通過(guò)采用對(duì)楊房溝廠房洞室群排水廊道與三大洞室的開(kāi)挖順序展開(kāi)數(shù)值計(jì)算分析，對(duì)比不同方案下洞室群圍巖的開(kāi)挖力學(xué)響應(yīng)特征和圍巖整體穩(wěn)定性。主要認(rèn)識(shí)如下：

1)總體上，各層排水廊道相對(duì)三大洞室的規(guī)模較小，洞間距也相對(duì)較大，其自身開(kāi)挖導(dǎo)致的圍巖變形和應(yīng)力調(diào)整均十分有限，不會(huì)明顯影響到三大洞室的穩(wěn)定性。所以，排水廊道的開(kāi)挖的先后順序并不會(huì)對(duì)廠房洞室群的整體穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響，其開(kāi)挖時(shí)機(jī)的選定應(yīng)首先滿足施工期的功能性需求(排水)，其次可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工組織情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2)根據(jù)楊房溝水電站工程前期地質(zhì)勘探和廠房洞室群第I層中導(dǎo)洞施工所揭露出的水文地質(zhì)條件，三大洞室(廠房洞、主變洞和尾調(diào)室)已開(kāi)挖洞段僅局部有少量滴水現(xiàn)象，總體地下水不發(fā)育，對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定和施工干擾較小，預(yù)計(jì)后續(xù)施工中的地下水強(qiáng)度也不大(針對(duì)滲水問(wèn)題可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況設(shè)置一定量隨機(jī)排水孔)。洞室群上層、中層排水廊道開(kāi)挖適當(dāng)滯后主洞室開(kāi)挖對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境和洞群整體穩(wěn)定性影響較小。

3)上層排水廊道的開(kāi)挖對(duì)主洞室之間的開(kāi)挖影響很小，僅從洞室群的圍巖開(kāi)挖響應(yīng)來(lái)看，上層排水廊道的開(kāi)挖時(shí)機(jī)可以根據(jù)施工便利進(jìn)行統(tǒng)籌安排，其超前或滯后主洞室上層開(kāi)挖均不會(huì)對(duì)洞群整體變形及穩(wěn)定造成較明顯影響。

4)考慮到地下廠房洞室群總的規(guī)模較大，后續(xù)開(kāi)挖中存在的高邊墻圍巖變形和松弛問(wèn)題、群洞效應(yīng)問(wèn)題等將逐步顯現(xiàn)，中層排水廊道的開(kāi)挖建議在主要洞室下層開(kāi)挖之前完成。另外，同部位的出線豎井開(kāi)挖時(shí)機(jī)也需關(guān)注，建議盡量在尾調(diào)室下層開(kāi)挖之前完成出線豎井的開(kāi)挖和系統(tǒng)支護(hù)工作。

5)主廠房下層開(kāi)挖對(duì)其上游側(cè)布置的排水廊道影響較小，下層排水廊道的開(kāi)挖時(shí)機(jī)可從其功能性角度去考慮。