乌东德水电站左岸地下厂房B类角砾岩区域稳定性分析

(1.中国长江三峡集团有限公司，北京 100038；2.三峡大学土木水电学院，湖北 宜昌 443000)

1 引 言

乌东德水电站位于金沙江下游，电站左右岸主厂房对称布置于两岸山体中，均靠河床侧布置，各安装6台单机容量为850MW的混流式水轮发电机组，总装机容量10200MW，多年平均发电量389.3亿kW·h。电站地下主厂房长333m，为圆拱直墙型，顶拱中心高程855.0m，机窝底板高程765.2m，高89.8m。岩锚梁台面高程839.7m，岩锚梁以上跨度32.5m，以下跨度30.5m。电站枢纽布置如图1所示。

图1 乌东德水电站枢纽平面布置

乌东德水电站左岸地下主厂房第一层开挖后揭露较大面积的B类角砾岩，现场深入地质工作已查明厂房YC=1+230～1+305区域B类角砾岩分布(见图2)，前期的设计变更考虑采用1500kN、长约49m的预应力锚索进行加强支护，实施中遇到下索困难的难题。为确保工程安全，建议优化厂房该洞段顶拱的锚索支护长度(如考虑下索深度可能性，将预应力锚索减小到40m左右)。为此，本文从岩石力学试验与数值模拟的角度，通过多角度计算，分析了B类角砾岩对左岸地下厂房顶拱稳定性的影响，阐明角砾岩塑性区深度特点，并建议了锚索加强支护的最小深度范围。

2 计算分析方案

2.1 B类角砾岩基本力学特性与参数取值

总的来看，B类角砾岩相对其外侧母岩的变形模量、波速等较低，划归Ⅲ2类围岩。该角砾岩体对厂房顶拱的稳定性影响主要取决于以下两方面。

2.1.1 B类角砾岩本身的强度特性和完整性

左岸厂房角砾岩区取样进行的岩石单轴抗压强度试验表明，自然状态下较完整B类角砾岩的单轴抗压强度约50多MPa(试验取样一般为较完整的岩块)，按70%折减，则B类角砾岩的代表性强度约40MPa，变形模量约12GPa，泊松比约0.3，如表1所列。根据《工程岩体分级标准》，为“较硬岩(60～30)”。此外，进一步分析角砾岩的应力-应变曲线可知，其试样破坏的扩容拐点(对应裂纹非稳定扩展点B)对应的应力值约为峰值强度(A点)的70%～80%(见图3)，据相关理论可认为角砾岩的长期强度约为峰值强度的 70%～80%。这表明从施工安全的角度看，初期支护需要穿过工程岩体的施工期塑性区深度(对应A点)；而从工程长期安全角度看，加强支护锚杆/锚索的深度应该穿过工程岩体接近峰值强度的70%的部位(对应B点)。

图2 左岸主厂房B类角砾岩分布(引自长乌3-15设计通知) (单位：cm)

图3 武汉岩土力学研究所对左岸厂房开展的B类角砾岩试验结果(部分)

岩土所这一试验结果与设计院施工地质简报中的岩石试验结果基本一致。两方面试验结果表明，左岸厂房B类角砾岩的岩石强度本身不低，具有相当的承载能力。因此，在本次计算过程中，其力学参数取值如表2所列，其力学模型为Mohr-Coulomb理想弹塑性模型。

表1 左岸厂区B类角砾岩自然状态下岩样的单轴压缩试验结果

表2 B类角砾岩岩体物理力学参数取值(据《地质简报》总第87期)

2.1.2 B类角砾岩与母岩的胶结程度

现有钻孔电视观察和开挖后现场地质调查表明，左岸厂房的B类角砾岩与周边正常岩体亦没有明显的分界面，其与周边岩体胶结好，结合紧密，似“熔融接触”。因此，可认为洞室开挖过程中两类岩体分界面之间的非连续变形与开裂的可能不太大，有利于洞室顶拱的整体稳定。数值模拟过程中因此也未设置相应的分界面，范围按实际揭露的最大深度和形态考虑。

2.2 计算工况

计算方案如表3所列，即一种符合工程现场的计算工况和两种假定的不利工况。

表3 左岸地下厂房角砾岩洞室区域洞室稳定性计算工况

3 计算结果分析

上述设定工况计算分析表明：不同工况下洞室顶拱围岩变形总量、明显变形深度和塑性区深度都不一样。

a.按目前实际角砾岩分布和建议的实际岩体力学参数计算(工况1)：洞室顶拱角砾岩明显变形区域一般在10m范围内，而30m深度外角砾岩变形不明显；施工期洞室开挖完成后的角砾岩塑性屈服区深度一般在6～8m左右；当考虑长期强度时，其岩体长期屈服区深度可能达到15～20m左右，参见图4。

b.按假设整个顶拱区域岩体均为角砾岩和建议的实际岩体力学参数计算(工况2)：洞室顶拱角砾岩区域明显变形区域一般在20m左右；施工期洞室开挖完成后的角砾岩塑性屈服区深度一般为10～12m，表层围岩松弛加剧；当考虑长期强度时，其岩体长期屈服区深度可能达到20m左右，参见图5。

c.按假设目前顶拱揭露角砾岩为Ⅳ类围岩的岩体力学参数计算(工况3)：洞室顶拱角砾岩明显变形区域深度达到30m；施工期洞室开挖完成后的角砾岩塑性屈服区深度一般在15m左右，表层围岩松弛开裂突出；当考虑长期强度时，其岩体长期屈服区深度可能达到30m左右，接近角砾岩外边界，参见图6。

图4 实际角砾岩分布和实际岩体力学参数条件下(工况1)顶拱围岩力学特点

图5 设定顶拱全部为角砾岩和实际岩体力学参数条件下(工况2)顶拱围岩力学特点

图6 设定角砾岩实际分布形式和Ⅳ岩体力学参数条件下(工况3)顶拱围岩力学特点

洞室开挖后表层角砾岩实际卸荷劣化特征不突出，围岩松动圈深度不大，变形监测值趋于收敛的现场围岩力学特征与计算工况1的情况最为接近，反过来表明目前对角砾岩力学特性估计和数值计算结果都具有一定的可靠性。

d.一般而言，弧形顶拱受力条件相对直立高边墙条件好些，如果将整个厂房洞室结构简化看成一个杆系体(见图7)，则当洞室开挖到第3～4层后，受边墙向临空面变形的作用，顶拱变形一般趋于稳定，局部可能还表现出轻微的上抬(回弹)变形。这一特点在我国多个地下厂房都有所体现，如拉西瓦水电站地下厂房开挖到后期顶拱出现了变形轻微回弹现象(见图8)。乌东德左岸地下厂房的计算分析也表明，当厂房开挖到第4层后，顶拱围岩变形开始出现轻微回弹现象，如图9所示。因此，将来判断顶拱稳定状态时，完全可以依据顶拱变形监测数据特征进行稳定性评估。

e.如果将整个厂房洞室结构简化看成一个杆系体，则其拱座部位(即图7中的铰链)是较为关键部位，该部位稳定性良好则可以确保洞室顶拱稳定，从而为高边墙稳定奠定基础。从这一角度看，考虑乌东德地下厂房拱座开挖后存在一定的应力集中(见图10)，故其拱座采用适当的锚索支护设计是较为稳妥的。这样可以有效抑制洞室下卧开挖过程中拱座应力集中导致的围岩损伤松弛和劣化，即松弛—抑制。

图7 基于杆系结构的顶拱变形模式

图8 拉西瓦地下厂房顶拱小幅回弹现象

图9 第4层开挖后顶拱局部回弹现象(不考虑前期变形总量)

图10 左岸厂房开挖导致的拱座应力集中现象

f.基于地下工程围岩支护的松弛抑制思想，对厂房顶拱角砾岩区域进行挂网喷混凝土、1m×1m间距锚杆支护，并设置3m×3m的锚杆，可实现从表面到深部的围岩整体支护。考虑洞室长期稳定性的需要，锚索深度应该达到35m左右(即1倍厂房跨度)，从而形成一个深度30m左右的加固承载拱(其实目前多个地下厂房高边墙锚索长度约30m左右也是符合这一认识的)。然而，考虑到B类角砾岩本身与砂浆握裹能力可能不足，以及顶拱锚索的锚固段注浆饱满度难以控制的困难，一方面应降低预应力锚索的锁定吨位，另一方面建议考虑压力分散型锚索或低预应力全长黏结锚索，从而避免顶拱角砾岩深部存在较大的拉力区。

4 监测数据及分析

4.1 监测仪器设置和数据成果

根据主厂房开挖所揭露的地质缺陷及不良地质体情况，在相应部位布置了一定数量的多点位移计、锚杆应力计、锚索测力计，主要分布在主厂房拱顶、拱座、边墙等部位，安装埋设最早的仪器是位于6号机顶拱的B类角砾岩区的多点位移计，2013年5月3日取得了基准值。典型监测仪器过程见表5～表7。

表5 左岸主厂房B类角砾岩区域多点位移计测值变化情况统计

续表

表6 左岸主厂房B类角砾岩区域锚杆应力计测值统计

表7 左岸主厂房B类角砾岩区域锚索测力计(1500kN)测值统计

4.2 数据分析

a. B类角砾岩区域多点位移计当前孔口累积位移在0.22～65.58mm(M18ZCLX，下游边墙B类角砾岩区域，YC=1+245.00，高程834.50m)之间，锚杆应力计当前应力值在-68.37～374.20MPa(R15ZCLX，下游边墙B类角砾岩区域，YC=1+259.85，高程842.79m)之间，监测锚索(设计值1500kN)当前锚固力在1409.3～1692.9kN(MS06ZCKT，上游拱部B类角砾岩，YC=1+279.75，高程850.87m)之间。

b.围岩变形大于30mm的有两处，5号机下游边墙B类角砾岩区域(M18ZCLX,YC=1+245.00，高程834.50m)当前围岩变形最大为65.58mm，变形主要发生在第Ⅳ层及第Ⅶ层开挖期间，围岩发生较明显突变，变形增量分别为14.55mm和11.33mm，第Ⅶ～Ⅸ层开挖期间表现为持续变形。目前该断面围岩基本稳定。该部位附近的围岩变形(M19ZCLX，YC=1+260.00，高程834.50m)主要发生在第Ⅳ层和第Ⅴ层开挖期间，变形增量分别为12.69mm和9.72mm，围岩变形以开挖引起的突变为主，当开挖结束后，变形迅速趋于稳定，目前该部位变形基本收敛(见图11～图12)。

图11 YC=1+245.00m，高程834.50m处围岩典型多点位移计过程线

c.锚杆应力大于200MPa的主要分布在上游边墙B类角砾岩区域和下游边墙B类角砾岩区域。上游边墙B类角砾岩区域锚杆应力(R12ZCLX)在开挖期间应力一直持续增长，开挖完成后趋于平稳。下游边墙B类角砾岩区域锚杆应力(R15ZCLX，下游边墙Yc=1+259.83，高程842.79m)在第Ⅲ～Ⅴ层开挖期间变化较大，变化增量分别为140.18MPa、74.16MPa和61.05MPa，开挖结束后应力变化平稳。从锚杆应力变化过程线可见，锚杆应力变化特征与围岩变形变化特征相似，主要受开挖施工影响，以突变为主，开挖完成后测值迅速趋于稳定(见图13～图14)。

d.锚索测力计当前锁定后损失率在1.0%～6.1%之间变化，各项数值显示目前锚索锚固力趋于平稳。

图12 YC=1+260.00，高程834.50m处围岩典型多点位移计过程线

图13 YC=1+259.85，高程842.79m处典型锚杆应力计过程线

图14 YC=1+286.0，高程844.79m处典型锚杆应力计过程线

4 结 论

a.上述对角砾岩单独进行的强度测试和数值分析表明，左岸厂房揭露的B类角砾岩具有相当的承载能力，具有成拱条件，支护锚杆基本穿过了角砾岩的施工期屈服区深度，加之长度大于35m(即超出了角砾岩的明显变形区域和长期强度劣化区深度)的预应力锚索支护，可以基本保障顶拱稳定。

b.后续开挖期间的监测数据结果表明，结合复核数据(锚索加强支护的最小深度)所采取的工程措施可以有效限制围岩过量变形以及开裂破坏，措施合理可靠，可为类似地下洞室工程的开挖支护提供参考依据。