乌东德水电站围岩溶蚀裂隙破坏分析与加固效果评价

(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河段，总装机容量为10200MW，以发电为主，兼顾防洪，其左右岸各布置6台机组。拟定左岸地下3大洞室(主厂房、主变洞和尾水调压室)并列平行布置。其中，主厂房顶拱跨度为31.8m，岩锚梁以下开挖跨度为30.0m，主厂房最大开挖尺寸为3330m×32.5m×899m(长×宽×高)；主变洞最大开挖尺寸为2556m×18.5m×34.2m；调压室采用下部独立、上部连通的长廊型布置方式，顶拱跨度为320m，最大开挖高度为110.0m(见图1)。

图1 乌东德水电站右岸地下电站洞室群三维布置

乌东德水电站右岸地下电站主厂房9号机顶层扩挖后于下游边墙及拱座(桩号YC=1+202～1+217)揭露一条较大溶蚀裂隙YKT1。该溶蚀裂隙为顺层发育，产状180°∠68°，走向与主厂房下游边墙夹角约25°[见图2(a)]，宽5～30cm，充填泥夹碎屑或碎屑夹泥[见图2(b)]。钻孔彩电物探结果显示，该裂隙水平方向延伸长约90m、垂直向延伸长约54m。考虑到该溶蚀裂隙规模较大且性质较差，可能在后续施工扰动下产生倾倒变形破坏，参建各方经商讨后提出对当前开挖层裂隙实施局部回填置换及加强支护的处理方案(对YKT1裂隙影响区域内填充物掏挖、冲洗清理干净后进行灌注水泥或水泥浆填缝，对区域加强支护：增加3排T=1500kN@3m×3m、L=25m的预应力锚索共计21束，拱座以上溶蚀裂隙影响区域局部增加16根T=50kN、HRB40032、L=9m张拉锚杆)。本文从数值模拟的角度，以右岸地下电站模型为基础，分析YKT1溶蚀裂隙在后续开挖过程中的变形破坏趋势及可能破坏的范围，并对加固方案效果进行评价，同时得出进一步的结论和建议。

图2 右岸地下电站主厂房下游侧YKT1溶蚀裂隙

2 计算分析方案

计算方案采用包含整个右岸地下厂房的山体网格模型，初始地应力场根据非线性反演获得，Ⅱ1和Ⅲ1围岩力学模型采用反映层状岩体层理和基质力学特性的层状岩体应变硬化/软化模型，其变形参数选用《金沙江乌东德水电站可行性研究报告》工程地质部分推荐范围的平均值，其他参数则为经验值。溶蚀裂隙YKT1及其置换体和A类角砾岩采用理想弹塑性模型。YKT1及其置换体力学参数取经验值，A类角砾岩力学参数取《乌东德地下电站工程地质汇报》推荐的B类角砾岩力学参数。各类围岩力学参数具体取值见表1～表5。

表1 Ⅱ1围岩力学参数

表2 Ⅲ1围岩力学参数

表3 溶蚀裂隙YKT1力学参数

表4 A类角砾岩力学参数

表5 溶蚀裂隙YKT1置换体力学参数

主厂房围岩状态评价指标采用破坏接近度，该指标可以反映层状岩体基质和层理面在开挖扰动下的破坏程度。当其值小于1.0时认为围岩相对稳定；当其值大于1时，认为围岩发生屈服；当其值超过一定设定的大于1.0的某一临界值时(如1.2)可以认定围岩可能产生了松动；当其值超过设定的大于1.0的某一临界值时(如1.5)，可以认定围岩可能产生了破坏。角砾岩及溶蚀裂隙加固措施的模拟依据《右岸地下电站主厂房YKT1溶蚀裂隙加固处理及有关要求》。溶蚀裂隙YKT1和A类角砾岩与右岸地下洞室群开挖体的空间位置关系见图3。

图3 溶蚀裂隙YKT1及A类角砾岩与洞室群开挖体的空间位置示意

3 围岩加固效果评价

图4和图5为厂房Ⅱ层开挖后溶蚀裂隙YKT1置换前后及A类角砾岩加固前后的破坏接近度分布。从图4可以看出，厂房Ⅱ层开挖后溶蚀裂隙YKT1不经处理，破坏接近度大于1.0的区域大部分集中在1.5～3.0，最大值超过3.2，表明其不经处理，很容易产生破坏。与之相对，采用回填置换处理后，溶蚀裂隙YKT1置换体的破坏接近度大于1的区域均集中在开挖临空面附近，深度明显较小；仅在起拱线附近有少量区域大于1.3(该处置换体可能会产生少量剥落)，其他区域的破坏接近度相对较小，表明回填置换有效提高了溶蚀裂隙YKT1及其影响范围内的岩体强度。

图4 Ⅱ层开挖后YKT1及置换体的破坏接近度

从图5可以看出，厂房Ⅱ层开挖后A类角砾岩区域不经加固处理，破坏接近度大于1.0的区域大部分集中在1.5～3.0，最大值达3.225，表明其不经处理，很容易产生破坏。相反，对A类角砾岩区域进行加固处理后，其破坏接近度大于1的区域减小较为明显，均集中在开挖临空面附近；仅在起拱线附近有少量区域大于1.3，说明加固处理过后角砾岩区强度有了较大程度的提高。

图5 Ⅱ层开挖后A类角砾岩的破坏接近度

图6为溶蚀裂隙YKT1和A类角砾岩分布范围内典型机组剖面(7号、8号及9号机组)的围岩破坏接近度分布图。从图6中可以看出，厂房Ⅱ层开挖后，各典型机组剖面处围岩在加固后的破坏接近度大于1.0的区域很少，并且最大破坏接近度值也只略大于1。这一方面反映出该洞段围岩除YKT1和A类角砾岩外，其他岩体质量相对较好，另一方面反映出溶蚀裂隙YKT1和A类角砾岩区域经加固处理后有效加强了该洞段围岩的整体性，提高了围岩强度。

图6 Ⅱ层开挖后A类角砾岩及YKT1溶蚀裂隙影响区域典型机组剖面的围岩破坏接近度

4 监测数据分析

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情况，在9号机相应部位施工过程中布置了一定数量的多点位移计、锚杆应力计、锚索测力计(见表6～表8)。9号机最早安装埋设的仪器是顶拱的多点位移计，2013年4月14日取得初始值，典型监测仪器过程线见图7～图11。

表6 右岸主厂房9号机多点位移计测值变化情况统计表

表7 右岸主厂房9号机锚杆应力计测值统计表

表8 右岸主厂房9号机锚索测力计测值统计表

图7 Yc=1+209.50 高程846.66处围岩典型监测仪器过程线

4.2 监测数据分析

右岸主厂房9号机拱顶多点位移计孔口围岩累积变形0.92mm；拱座多点位移计孔口位移累积变形在4.05～43.24mm；上下游边墙多点位移计孔口围岩累积变形在0.45～19.42mm；9号机围岩最大变形位于9号机下游拱座高程846.66m处；其中累积变形大于20mm的1支，位于9号机下游拱座处。锚杆应力计当前应力值为-0.71～143.81MPa(R03YC09，9号机下游边墙)。锚索测力计当前锚固力为1907.2～3487.6kN(MS03YC09，9号机下游边墙，超量程)。

图8 Yc=1+209.50 高程812.35m处围岩典型监测仪器过程线

图9 Yc=1+209.5 高程835.05m处围岩典型监测仪器过程线

图10 Yc=1+209.5 高程838.34m处围岩典型监测仪器过程线

图11 Yc=1+209.5 高程835.05m处围岩典型监测仪器过程线

9号机顶拱累积变形0.92mm，变形量小，无明显变化。

9号机上游拱座变形较小，无明显变化。9号机下游拱座当前累积变形43.24mm，变形主要发生在Ⅵ层和Ⅹ层开挖期间，期间变形增量分别为18.01mm和8.00mm。

9号机上游边墙累积最大变形19.42mm，位于高程812.35m处。变形主要发生在Ⅵ层、Ⅹ层开挖期间，期间变形增量分别为6.62mm、4.29mm，其上方锚索测力计MS01YC09在Ⅵ层开挖期间锚固力增大163.5kN。目前该部位围岩变形趋于稳定。

9号机下游边墙累计最大变形13.87mm，位于高程838.34m处，变形主要发生在Ⅳ层、Ⅵ层开挖期间，变形量分别为8.11mm、3.44mm；此外，Ⅹ层开挖期间，下游边墙高程808.05m处多点位移计M17Y09位移增量5.11mm，附近锚杆应力计R03YC09应力增加110.30MPa，下游边墙锚杆应力计R02YC09应力增加49.15MPa，下游边墙锚索测力计MS03C09锚固力在Ⅹ层开挖期间增加452.5kN，锚杆应力、锚索锚固力增加与围岩变形增加基本同步。

从整体来看，9号机围岩变形主要发生在下游拱座部位。变形主要是开挖引起的突变及突变后的持续蠕变，开挖完成后围岩变形趋于稳定。目前9号机围岩变形平稳。

5 结论与建议

a.根据前述数值分析结果，溶蚀裂隙YKT1及A类角砾岩经加固处理后在厂房Ⅱ层开挖扰动下的破坏区域基本集中在开挖临空面附近，向岩体深部延伸的范围很小，这表明加固措施对控制溶蚀裂隙YKT1及A类角砾岩的破坏效果明显。

b.在厂房Ⅱ层开挖扰动下，溶蚀裂隙YKT1和A类角砾岩分布范围内典型机组剖面上的破坏接近度大于1.0的区域很少，并且最大破坏接近度值也只略大于1。这表明加固措施对控制角砾岩区洞段围岩整体稳定性同样效果明显。

c.后续开挖期间的监测结果表明，结合复核数据并动态调整相应的工程措施可有效限制围岩过量变形以及开裂破坏，印证了这些措施的合理性及可靠性，可为类似地下洞室工程的开挖支护提供参考。