大发水电站地下厂房支护设计

彭薇薇，王 波

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 概述

大发水电站位于大渡河中游右岸的一级支流田湾河上，是田湾河梯级开发最下游的水电站，为单一发电工程，无供水、灌溉、防洪等综合利用要求。工程为引水式开发，主要包括底格拦栅坝、进水口、引水隧洞、调压室、压力管道、地下发电厂房等水工建筑物。电站安装2台冲击式机组，装机容量240MW。地下厂房跨度上部为25.4m，中部为23.6m，高49.5m，长76.52m。

2 厂区建筑物布置

厂区建筑物主要由主、副厂房、主变室、母线洞、尾水洞、交通洞(兼进风洞出线洞)、排风洞、排水洞及地面联合开关站等组成。根据厂址区地形条件、地应力情况、岩体层面、裂隙发育情况等因素并考虑水工建筑物布置的协调和顺畅，确定主厂房纵轴线方位为N53°E。该方位与主要结构面(层面)交角较大，洞室总体成洞条件较好。

主、副厂房位于微～新岩体中，主厂房最小埋深130m。主副厂房、安装间采用“一”字型布置，主变室位于主厂房下游，与主厂房平行布置。

3 厂房地质条件

(1)可研阶段的地质条件。

大发水电站位于川滇南北向构造带与甘孜褶断带交汇部位，区域构造背景复杂。工程所处的贡嘎山断块东侧边界断裂(磨西断裂)及西侧边界断裂(玉农稀断裂)均为活动断裂。工程区紧邻具备发生强震可能的磨西断裂，地震危险性主要受其影响，经四川省地震局鉴定，工程场地地震基本烈度厂区为Ⅸ度，相应50年超越概率10%，厂址区基岩水平峰值加速度分别为318cm/s2。根据《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073－2000)9.1.2基岩面以下50m及50m以下的部分设计地震加速度取地面的1/2。由于该厂房埋深约130m，故地震加速度值取为0.2g，地下厂房及主变室按Ⅷ度设计。

厂址区岩性由泥盆系中、上统(D2－3)白云岩、结晶灰岩、绢云母片岩、千枚岩和二叠系下统(P1)结晶灰岩、白云质大理岩、板岩、片岩、千枚岩等组成，地层产状近SN/W∠65°～85°。

厂址处岩性为厚层结晶灰岩夹板岩、千枚岩，岩层产状为SN/W∠80°～85°。其间有较大的断层通过，岩体中局部发育有0.05～0.3m宽的顺层挤压带，由角砾岩组成，挤压紧密，除层面裂隙外岩体中发育有三组裂隙:①N50°～80°E/SE∠55°～70°、②EW/S(N)∠60°～ 85°、③EW/S∠35°～45°，裂隙间距0.4 ～0.8m，一般延伸 2 ～4m，裂面多平直闭合，局部有滴水。RQD=75%～85%，岩体声波纵波速Vp=4900～6000m/s，岩体完整性好。岩石单轴湿抗压强度为76～102 MPa，弹模为47.5 ～61.3GPa，岩体变模E0=31.66GPa，厂房位于微～新岩体中，围岩以Ⅲ类为主。据地应力测试成果，最大主应力σ1=14.4～15.22MPa，方向 303.3°～306.9°，倾角 －4.8°～ －5.9°，其值为岩石饱和抗压强度的0.2倍，属中～低地应力状态，地下洞室围岩稳定性主要受结构面控制。

(2)技施阶段的地质条件。

开挖后揭示地下厂房顶拱岩体为中厚层状细晶灰岩，岩层产状为 N10°E～N20°W/NW ～SW∠75°～80°。岩石致密坚硬，抗压强度较高，抗风化能力较强。厂房左端墙顶拱中心至上游边墙20m斜向发育一条小断层 f1，产状 N85°E/SE∠75°，可见长度达34m，上游边墙和内侧端墙下卧过程中遭遇该断层。断层带主要由角砾岩、碎裂岩及少量糜棱岩等组成，主断带宽0.3～1m，为泥夹碎屑型，影响带宽5～6m，裂隙发育，岩体破碎。除层面裂隙N20°W/SW∠85°外，岩体中主要发育有三组裂隙:

①N75°E/NW∠80°，延伸长度大于 10m，间距一般为1.5～2m，裂面多闭合，较平直光滑，较发育，与厂房轴线交角较小，控制边墙的稳定。

②EW/S∠35°～45°，延伸长度为 3 ～5m，间距一般为0.2～0.5m，裂面多闭合，较平直光滑，断续延伸，分布0～15m、40～67.5m 近下游边墙，对顶拱局部稳定有一定影响。

③N80°W/SW∠60°～64°，延伸长度为 3～5 m，间距一般为0.2～0.5m，裂面多闭合，较平直光滑，断续延伸，分布0～15m范围内近下游边墙。

厂房开挖揭示的围岩总体呈新鲜至微风化状，岩体结构为中厚层状结构。由于受f1断层及层面、3组裂隙的影响，该段岩体较破碎，尤其是f1出露带岩体十分破碎、多见次生泥，裂隙较密集，岩体类别相对较差。

根据地下厂房顶拱及边墙开挖揭示的地质条件，上游边墙受f1断层及层面、3组裂隙切割，在拱座高程0+20～0+30、底板高程0+35～0+45段围岩较破碎，整体稳定性差，围岩类别为Ⅳ～Ⅴ类，在拱座高程0+30～0+67.52、底板高程0+45～0+67.52段受f1断层及层面切割，在厂房开挖后形成一较大的楔形体，倾向厂房内，稳定性较差，需采取专门的加固支护处理。在拱座高程0+00～0+20、底板高程0+00～0+35段主要受层面及2组裂隙的影响，围岩较破碎，围岩类别以Ⅲ类为主，局部稳定性差。

下游边墙在拱座高程0+32～0+58受层面及3组裂隙切割，岩体较破碎，该段在顶拱开挖过程中近下游边墙有局部掉块现象，同时，由于有陡倾墙内的裂隙发育，开挖过程中可能产生拉裂破坏。

4 地下厂房采用的支护方案

(1)可研阶段采用的支护方案。

可研阶段确定厂房洞室采用喷锚支护，具体支护参数为:顶拱及岩壁吊车梁以上喷钢纤维混凝土厚15cm，岩壁吊车梁以下喷钢纤维混凝土厚10cm;系统锚杆:顶拱 φ28，间距 1.5m ×1.5 m，L=7m;边墙水轮机层以上:上游 φ25、28，间距1.5m ×1.5m，L=5m、7m 交错布置，下游φ28，间距1.5m ×1.5m，L=7m，水轮机层以下φ25，间距1.5m ×1.5m，L=5m。

(2)技施阶段支护方案的选择。

根据实际开挖揭示的地质条件，需对厂房可研阶段喷锚支护方案进行调整。特别是受f1断层、层面和节理裂隙切割的厂房顶拱及上下游边墙，使围岩类别降低，稳定性变差，需要研究加强支护措施。针对厂房各部位不同的地质条件，拟定了以下三种支护方案:

方案1:安装间及主机间全部采用全断面钢筋混凝土衬砌+锚索支护。

方案2:顶拱桩号0～35范围采用钢筋混凝土衬砌，桩号35～67.52采用喷锚支护，边墙全部采用钢筋混凝土衬砌+锚索支护。

方案3:顶拱桩号0～35范围采用钢筋混凝土衬砌，桩号35～67.52采用喷锚，下游边墙和上游边墙桩号15～45范围为钢筋混凝土衬砌+锚索支护，上游边墙其余部分采用锚喷支护。

上游边墙桩号18～30范围内由于有f1断层通过，形成不稳定四面体，对岩壁吊车梁的成型有影响较大，该段考虑采用常规吊车梁。在三种支护方案选择时，除了比较各种方案的工程量(表1)、工期外，还需考虑厂房吊车梁的受力、变形及永久运行情况。

根据比较，三种方案工程量相差不大，工期基本一致，但方案一中吊车梁受力和变形具有一致性，对于永久运行较有保障，且对该电站较为复杂的地质条件更具适应性。最终结合地下厂房三维有限元分析结论，确定采用方案一，即主厂房全部采用全断面钢筋混凝土衬砌加锚索支护。具体支护参数为:顶拱衬砌采用变截面拱，拱顶厚1m，拱座厚1.2m，边墙衬砌厚 0.8m，柱子断面 1.3 m×0.8m，围岩系统锚杆支护参数与可研阶段相同。上下游边墙增加对穿锚索34根，一般锚索97根。对上游边墙桩号17～39段受f1断层影响较大、岩体破碎部位，采用混凝土局部置换与固结灌浆加固处理，置换厚度为2～3m。

表1 厂房三个支护方案主要工程量比较表

图1 厂房锚索典型支护断面图

为确保工程的安全可靠，对支护方案进行了论证与优化，采用三维有限元计算对地下厂房进行了稳定分析。

①计算模型。

根据厂房布置，在上下游方向，以厂房纵轴线为准上下各取130m作为计算区域;在厂房纵轴线方向，取两条母线洞之间的机组段共19.2m;在铅垂方向，取上至地表、下至1000m高程(距洞底距离约为洞高4倍)。各边界界面均施以法向约束并假定围岩和混凝土均为理想弹塑性材料，采用D－P准则。

②计算工况

为分析不同支护方案对地下厂房稳定性的综合影响，取不同围岩参数和地应力进行敏感性分析，拟定了以下计算工况:

工况一:喷锚支护方案+钢筋混凝土顶拱;

工况二:工况一+围岩参数变化(膨胀角提高 10°);

工况三:喷锚支护方案+钢筋混凝土顶拱+80cm厚边墙钢筋混凝土衬砌;

工况四:工况三+锚索支护;

工况五:工况四 +地应力降至实测值的80%;

工况六:工况四 +地应力降至实测值的60%。

③计算成果与分析。

为区分锚固区与非锚固区，取用了不同的围岩参数值，具体为:非锚固区围岩参数取Ⅲ类围岩的低值，锚固区围岩参数取Ⅲ类围岩的中值。在确定地应力时，考虑到顶拱开挖成型后经过了一段时间才进行钢筋混凝土衬砌支护，其初始地应力有一定释放，故对其进行了折减为80%、60%的敏感性分析，以指导顶拱钢筋混凝土配筋。

通过计算分析，在工况一和工况三的情况下，支护方案不能保证洞室群稳定，仍需进一步增加支护;工况四的支护方案能基本保持洞室群的稳定。

工况四的计算结果:

a.应力分析。

在开挖过程中，由于开挖扰动，应力场发生了较大变化。主要规律为:在洞室各部位首次开挖时，其径向地应力释放，导致切向应力增长，此时的应力变化率一般最大;在顶拱部位，初期开挖时，径向应力释放，在随后的分期开挖过程中，由于高边墙逐步向内变形，导致顶拱起拱，顶拱部位的径向应力有所增长;在开挖洞型中出现的拐角部位均有应力集中现象出现，在随后的开挖过程中，边墙逐步增高，上述应力集中现象有所缓解;随着边墙向下开挖，边墙上径向应力不断释放，切向应力逐步增长。

应力分布主要为:开挖完成后洞室周围第一主应力绝大多数仍为受压状态，量值约在0～14.2MPa之间;主厂房下游边墙母线洞与尾水洞间、主变室顶拱上游侧等洞室表面少数部位出现拉应力区，其值不大于0.93MPa。第三主应力几乎全部为压应力，量值在0～52.31MPa之间;在顶拱及机窝底板有明显的压应力集中现象，最大压应力约为52.31MPa，位于钢筋混凝土拱顶。

b.位移分析。

围岩的变形是由于开挖卸荷后应力释放引起的，开挖完成后围岩基本上向洞内变形，随着离开挖面距离增大，位移逐渐减小。洞室各临空面上围岩的最大位移分别为:

主厂房上游边墙的x方向最大位移约为10.82cm(沿水流方向向下游为正)，主厂房下游边墙的x方向最大位移约为－12.99cm;主厂房顶拱的最大下沉量约为3.97cm，主厂房底部的最大隆起量约为7.59cm。

主变室上游边墙的x方向最大位移约为－5.56cm，主变室下游边墙的x方向最大位移约为－6.53m;主变室顶拱的最大下沉量约为5.81cm，主变室底部的最大隆起量约为4.26cm。

c.屈服情况分析。

屈服区的分布规律主要为:在主厂房四周，上游边墙处的屈服区深达8.8m。由于受横向支洞开挖的影响，下游边墙的屈服区几乎贯通到主变室;顶拱的屈服区很少且在锚固区内，底部屈服区最大深度约为5.1m;在主变室周边，上游边墙屈服区贯通到主厂房，下游边墙屈服区深达3m，顶拱屈服区最大深度约为4m，底部屈服区最大深度约为5.5m;母线洞和交通洞周围都分布有一定的屈服区，且屈服区深度不超过洞径。

从屈服区分布情况看，顶拱的厚混凝土衬砌只是在拱座附近略有屈服，因此顶拱1m厚的混凝土衬砌基本可以满足对顶拱的支护要求。

从位移和屈服区大小看，施加预应力锚索，使边墙的位移和塑性区明显减小。下游边墙最大位移减小约3cm，上游边墙的屈服区最大深度减小约2cm，顶拱的屈服区有较大的减少。此外，对整个开挖过程进行了仿真分析，没有出现无限流动的不收敛现象，因此，该支护方案基本能保证整个地下洞室群的稳定性。

④计算结论。

通过计算得知，采用方案四洞室群是基本稳定的，能满足厂房稳定运行的安全要求。根据计算，顶拱混凝土衬砌对边墙的变形十分敏感，因此，在拱座处施加预应力锚索以控制拱座变形;由于横向支洞开挖的影响，主厂房和主变室间的屈服区几乎贯通，在开挖横向支洞前，对已开挖的工作面及时采取有效的支护措施，以防止在开挖横向支洞时出现不测。

5 厂区和厂内排水设计

厂区地下水类型主要为基岩裂隙水和第四系松散层孔隙水。主要接受大气降水补给向河谷排泄。孔隙潜水赋存于松散堆积层中，向田湾河排泄;据平硐揭示，厂址区基岩裂隙水埋深较大(水平埋深55～60m)、水量不丰，主要表现为沿裂隙滴水，其赋集和运移受岩性、构造控制。水质分析成果:河水、地下水属弱碱性、低矿化度HCO3－Ca－Mg型水，对混凝土不具腐蚀性。

结合厂区地下水情况并考虑厂房前方布置有调压室及压力管道，在主厂房上游侧23m处设置了一条3×2.75m的排水廊道，廊道底高程为1207m，与主厂房拱座高程接近。廊道顶靠下游侧布置长度L=35m，孔径48mm，间距3m的排水孔，廊道底布置长度L=15m，孔径48mm，间距3m的排水孔。排水廊道与厂房排风洞相连，廊道内的积水经排风洞排至厂区排水系统。

在厂房顶拱、边墙设置排水孔，孔深3m，孔径48mm，间排距4m，梅花型布置。各附属洞室均相应布置了排水孔。

6 结语

大发水电站地下厂房工程区紧邻具备发生强震可能的磨西断裂，工程场地地震基本烈度厂区为Ⅸ度。大发断裂和大泥沟断裂分别位于厂址东、西两侧，区内顺层挤压带发育，地质构造背景复杂。可研阶段主要查明有层面裂隙及其他两组裂隙。在施工设计阶段，随着厂房各层开挖的进行，新出现了f1断层以及层面裂隙及其他三组裂隙，厂房围岩类别出现了降低，洞室稳定性变差，因此而拟定了几种加强支护方案进行比选。在采用三维有限元进行计算分析后得知，全断面钢筋混凝土衬砌加锚索支护能满足地下厂房施工安全和长期稳定运行的要求。经过对几种支护方案的工程量、工期等进行综合比较，确定安装间及主机间全部采用全断面钢筋混凝土衬砌加锚索支护的方案。大发水电站已于2007年底运行发电，并经历了2008年汶川“5.12”特大地震，运行情况良好表明大发水电站地下厂房支护措施是合适的。