蟠龙抽水蓄能电站软硬间层地质条件下洞室群开挖对软岩的影响研究

郑德湘，苏 超，邱树先，汪 健，李智机，张 恒

(1.重庆蟠龙抽水蓄能有限公司，重庆401452；2.河海大学水利水电学院，江苏南京210098；3.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)

0 引 言

抽水蓄能电站具有调峰填谷、调频调相、紧急事故备用、黑启动及可提供系统备用容量的储能特点，是我国水电站的主要选择形式[1]。抽水蓄能电站的厂房多深埋地下，跨越软硬间层的地质区，开挖过程中软岩地质区洞周围岩稳定问题突出[2]。针对这一问题，学者们陆续展开研究。在软岩区洞室围岩稳定分析方法方面，刘营超等[3]利用数值模拟研究了埋深与侧压力系数对软岩隧道变形的影响；王志伟等[4]提出了利用离散元分析上软下硬地层浅埋隧道的围岩松动破坏机制的数值模拟方法；吴迪等[5]、丁浩等[6]提出了基于软岩流变特性的洞室围岩流变分析模型；汪成兵等[7]在室内模拟试验基础上提出了拱形塌方和塌穿型塌方两种围岩破坏模式。在软岩区洞室围岩稳定评价和破坏区确定方面，邵国建等[8]提出洞室周围单元的干扰能量值及等值线分布情况定出滑面，以安全系数量化评判岩体稳定性的评判方法；杨强等[9]提出了基于能量判据的考虑油气储库群分布的洞室群整体稳定性分析方法；张传庆等[10]提出了以屈服接近度描述洞室围岩扰动区危险程度的判别方法。

这些学者的研究对于明确软岩洞室变形、破坏机理有重要意义，但分析较少考虑开挖过程对软岩变形的影响，因此也缺乏对洞室施工期软岩变形特征与机理的讨论。本文以蟠龙抽水蓄能电站地下洞室群为研究对象，重点研究开挖过程对软岩变形的影响，揭示开挖过程软岩层变形机理。

1 工程概况

蟠龙抽水蓄能电站位于重庆市綦江区中峰镇境内，电站由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库及地面开关站等建筑物组成。上水库位于綦江一级支流清溪河右岸支流蟠龙沟上游，下水库位于清溪河右岸支流石家沟上。输水系统自上水库进/出水口段山顶高程1 012.00 m至下水库溪沟沟底高程488.00 m，地形相对高差达524 m。输水发电系统总体呈NW向布置，采用一洞两机布置方式，共设置2条输水主洞、4条输水支洞和4条尾水隧洞。发电系统布置于下水库两河口坝线右坝头上游约280 m处的山体内，地下厂房洞室群主要由主厂房、主变洞、母线洞、高压电缆洞、进厂交通洞等组成。主厂房开挖尺寸为169.00 m×24.00 m×54.425 m(长×宽×高)，主变洞开挖尺寸为139.40 m×20.30 m×21.20 m(长×宽×高)。

厂房区跨越软硬相间岩层，软岩层为6层泥岩或粉砂质泥岩与泥质粉砂岩，其中软岩3、5、6贯穿主厂房，软岩2、6的相对位置如图1所示。

图1 软岩层与厂房的相对位置

2 有限元模型

根据施工组织设计的开挖次序，采用模拟所有洞室开挖过程的三维有限元计算模型，对地下厂房洞室群施工过程进行仿真分析，分析开挖过程中软岩层的变形、应力及塑性区分别特点等，研究开挖对软岩围岩稳定的影响。

根据主厂房位置及洞室布置形式、断面尺寸，模拟地下厂房洞室群实际洞体结构，包括主厂房、主变室、母线洞、主变运输洞、联系廊道、送风机房、排风机房、进厂交通洞、主厂房送(排)风洞、主变室送(排)风洞、通风兼安全洞、引水隧洞、尾水隧洞、高压电缆平洞、高压电缆竖井、检修排水廊道、排风竖井、3号～6号施工支洞、厂顶锚固洞以及环绕主厂房和主变室外围三层排水兼锚固洞，以及对厂房区围岩稳定影响较大的6层软岩。

坐标系采用主厂房轴线方向为X轴，指向副厂房方位为正；垂直于主厂房轴线方向为Y轴，指向主变室方向为正；竖直方向为Z轴，向上为正。原点取在1号机组中心，原点高程为451.9 m。计算范围是厂房轴线方向取1 320 m，左侧距主厂房左侧墙体800 m，右侧距离主厂房右侧墙体350 m，其中机组段共169 m；上游距主厂房上游墙425 m，下游距主变室下游墙250 m；垂直方向向下为主厂房底板以下250 m，向上为主厂房顶拱至地表面。计算模型网格节点数为649 612，单元数为3 802 630。厂房区有限元网格模型与三维整体有限元网格模型见图2。地下厂房洞室群共分17个开挖步。计算采用Mohr-coulomb屈服准则。

图2 蟠龙抽水蓄能电站地下厂房与三维整体有限元网格示意

表1 洞室围岩物理力学参数

3 软岩层变形特征

图3为厂区软岩2在第17级开挖下的位移俯视云图(U1、U2、U3分别为沿厂房轴线、垂直、铅直方向的位移)。软岩2位于主厂房顶拱之上，第1～7级开挖过程中，软岩2变形较小，铅直方向的变形主要是通风兼安全洞，主变排风洞以及进厂交通洞开挖后，软岩沿铅直方向朝向洞室内部变形，铅直方向最大位移为3.13 mm。水平方向主要是主厂房排烟竖井和主变室排风竖井开挖过后，软岩沿洞室径向朝向洞室内部变形，最大水平位移在1.63 mm以内。在随后的开挖过程中，软岩2主要是受主厂房和主变室开挖的影响，主厂房和主变室顶部的软岩2沿铅直向下变形，并随着洞室开挖的进行位移逐渐增大，洞室群开挖完毕之后，铅直向最大位移为26.80 mm。主厂房顶部的软岩3受主厂房开挖的影响有铅直向下的变形，受此影响，软岩2上游侧沿垂直厂房轴线方向的水平位移也相对较大，最大水平位移为10.98 mm。

图3 厂区软岩2第17级开挖的位移俯视云图(单位：m)

图4为厂区软岩6在第17级开挖下的位移俯视云图。图5为软岩2、6在各级开挖过程中U1、U2、U3方向的最大位移值。对于软岩6，第1～9级的开挖过程中，各方向的位移变化较小，第9级开挖结束后，铅直向的位移达14.46 mm，最大水平位移为3.75 mm。在第10～15级的开挖过程中，随着主厂房、主变室、母线洞、主变运输洞的开挖，其底部的软岩6铅直向上回弹变形逐渐增大，第15级开挖结束后，主厂房底部的软岩6铅直向上的位移达30.70 mm。软岩6水平向的变形主要是朝着各开挖洞室的收缩变形，渗漏集水井和尾水洞周围的软岩6主要以沿厂房轴线方向的位移为主，洞室群开挖结束后，最大水平位移达19.25 mm。尾水洞与4号施工交洞口以及4号施工支洞的侧墙主要以垂直厂房轴线方向的位移为主，洞室群开挖完毕之后最大水平位移为18.86 mm。第16～17级开挖过程中，贯穿主厂房内的软岩6全部开挖，主厂房上下游侧墙部位的软岩6以垂直厂房轴线水平方向的位移为主，开挖结束之后，水平向最大位移为50.18 mm。位于主变室，母线洞、安装间、进厂交通洞底部的软岩随着开挖的进行主要是沿铅直向朝向所开挖洞室的收缩变形，开挖结束之后铅直向最大位移为35.49 mm。主厂房端墙、安装间底板部位的软岩6主要是沿着厂房轴线方向的水平位移为主，开挖结束后，最大水平位移为24.23 mm。

图4 厂区软岩6在17级开挖的位移俯视云图(单位：m)

图5 软岩层最大位移值与开挖级数关系

4 软岩层应力特征

图6为厂区软岩2在开挖结束后铅直向应力、主拉应力、主压应力云图。对于软岩2，在整个开挖的过程中，软岩2内没有出现拉应力，全部处于受压状态，在主厂房和主变室开挖过后，顶拱上部的软岩2内应力水平显著降低，在主厂房排烟竖井以及高压电缆竖井洞周的软岩2处主压应力较大，开挖结束后最大主压应力为-9.23 MPa。

图6 第17级开挖下软岩2铅直向应力、主拉应力、主压应力云图(单位：Pa)

图7为厂区软岩6在开挖结束后铅直向应力、主拉应力、主压应力云图。图8为软岩2、6在各级开挖过程中各向最大应力值。对于软岩6，软岩6在第1～10级的开挖过程中全部处于受压状态，而且在开挖的过程中，应力水平变化不大，最大主压应力在-12.27 MPa内。在第11～15级开挖的过程中，在尾水下平洞与4号施工支洞的交叉洞口处有小范围的拉应力存在，最大主拉应力为0.55 MPa。第16～17级开挖过程中，贯穿主厂房内的软岩6被挖掉，主厂房上下游侧墙以及端墙部位的软岩6中有拉应力存在，最大主拉应力在0.59 MPa以内。副厂房底板中部有拉应力区分布，该拉应力区在铅直向下延伸深度为5 m，最大主拉应力为0.39 MPa，铅直向最大应力为0.05 MPa。在开挖的过程中，引水下平洞洞周，下层排水锚固廊道洞周，尾水下平洞洞周压应力较大，而且在引水下平洞“Y”形岔管处有压应力集中现象，最大主压应力为-23.84 MPa，出现在第16级开挖结束时。

图7 第17级开挖下软岩6铅直向应力、主拉应力、主压应力云图(单位：Pa)

图8 软岩层最大应力值与开挖级数关系

5 软岩层塑性区分布特征

图9给出了第17级开挖结束后软岩2、6的塑性区分布云图。

图9 第17级开挖结束后软岩2、6塑性区分布云图

对于软岩2，在第1～4级开挖过程中没有出现塑性区。主厂房排烟竖井，主变室排风竖井以及高压电缆竖井开挖后，洞周有塑性区产生，塑性区延伸深度在3 m以内。主厂房开挖过后，其顶拱上部有向下的变形，在变形部位随着开挖的进行逐渐出现塑性区，而且塑性区随着开挖的进行不断扩大，开挖结束后，软岩2沿厂房轴线方向有长度为150 m，沿垂直厂房轴线方向有宽度为18.5 m的塑性区。

对于软岩6，在第1～9级开挖过程中，塑性区分布较小，在随后的主厂房开挖过程中，软岩6内逐渐出现塑性区，塑性区主要以开挖临空面为中心向软岩内部延伸，并随着开挖的进行塑性区不断扩大。主厂房上游侧软岩6内的塑性区相对较大，在垂直厂房轴线方向最大延伸深度达12 m，主厂房下游侧软岩6内的塑性区在垂直厂房轴线方向最大延伸深度达6.5 m。4号施工支洞洞周软岩6内的塑性区延伸深度在3.2 m以内。下层排水锚固廊道的塑性区延伸深度在2.4 m以内。

6 结 论

以重庆蟠龙抽水蓄能电站地下洞室群为依托，采用考虑所有洞室开挖过程三维有限元计算模型，对软岩区的地下厂房洞室群施工过程进行仿真分析，分析开挖过程中软岩层的变形、应力、塑性分布特点，研究软岩区对开挖过程的响应。计算结果表明：软硬间层分布的地质条件下软岩层变形对洞室群开挖过程的响应显著，开挖过程将导致软岩层最大变形值、最大应力值及塑性区深度增加。在开挖过程中，随着开挖级数增加，穿越主厂房、主变室区的软岩层在临近厂房位置均产生明显塑性区，深层软岩较浅层软岩有明显滞后。建议在地下厂房开挖前进行软岩层对开挖过程的响应分析，完善开挖过程的危险作业段预警工作。