杨房沟水电站蚀变带区域岩锚梁设计与加强效果分析

韩晓卉，蔡波

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，311122)

1 杨房沟水电站概况

1.1 工程简况

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上，是规划中该河段的第六级水电站，其上游连接孟底沟水电站，下游连接卡拉水电站，工程的开发任务为发电。杨房沟水电站枢纽由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物和地下引水发电系统等主要建筑物组成，地下厂房布置在左岸山体内，厂房纵轴线方位N5°E，内置4台单机容量375MW的水轮发电机组，总装机容量1500MW。主副厂房、主变室、尾水调压室三大洞室平行布置，主副厂房尺寸为230m×30m×75.57m(长×宽×高)，主变室尺寸为156.0m×18.0m×22.3m(长×宽×高)，尾水调压室采用阻抗长廊式，1#和2#调压室尺寸分别为24m×69.5m×63.75m(宽×长×高)和24m×82m×63.75m(宽×长×高)。

1.2 基本地质条件

杨房沟地下厂房边墙开挖揭露围岩岩性为浅灰色花岗闪长岩，呈微风化～新鲜状，岩质坚硬，岩体质量整体较好，一般以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，局部IV类。主要发育五组优势节理：①顺洞向陡倾角：N10°～30°E、NW∠60°～85°；②切洞向陡倾角：N65°～75°W、SW∠65°～70°；③切洞向中倾角：N85°E、NW∠40°～50°；④切洞向陡倾角：N80°W～N80°E、SW/NW∠80°～90°；⑤切洞向中倾角：N80°～90°E、SE∠40°～50°。

1.3 岩锚梁设计

杨房沟水电站主厂房选用两台700t/150t单小车桥机，桥机跨度27m，单台桥机主梁每侧轮子数量10个，两台桥机总额定起重量1400t，主梁的单个车轮最大轮压为Pmax=850kN。

吊车梁布置在地下厂房机组段和安装场洞段，单边长度为210m。图1为吊车岩锚梁体型结构布置，岩锚梁宽2.0m，高3.0m，壁坐角35°。吊车梁中上部设2排锚杆PSB830 φ40@70cm，长度L=11m，仰角分别为25°和20°，锚杆孔口2m区域涂抹沥青；吊车梁下部设1排普通砂浆锚杆HRB400 φ32@70cm，长度L=9.0m。

图1 岩锚梁体型结构布置

2 蚀变带区域地质条件

在杨房沟水电站地下厂房“厂右0+5m～厂左0+35m”洞段下游边墙开挖过程中，现场开挖揭露该洞段发育断层f83及挤压破碎带J145、J164等，其中断层f83两侧影响带宽0.5m～3.4m，影响带内断层伴生节理发育，间距10cm～30cm，沿节理面有挤压蚀变现象，影响带岩体完整性差～较破碎，以Ⅲ2类围岩为主，断层带内为IV类。

现场针对蚀变带影响区域进行了声波测试、钻孔摄像以及岩样抗压强度试验等补充物探。表1为蚀变带影响区域岩样抗压强度试验汇总表，图2为根据现场实测情况推演获得的蚀变带围岩开挖前后波速分布演化特征。

表1 蚀变带影响区域岩样抗压强度试验汇总

图2 蚀变带围岩开挖前后波速分布演化特征

根据图2所示：距下游边墙约3m～4m岩体(包括斜岩台及下部5m范围内)属于蚀变带影响区域，岩体波速基本在3500m/s以下(花岗闪长岩新鲜完整岩块的平均声波速度在6250m/s)，该区域浅表层岩体波速基本均低于3000m/s；根据表1所示：蚀变带影响区域岩体单轴饱和抗压强度最小值为4.3MPa，最大值为76.8MPa，平均值为40.4MPa(花岗闪长岩新鲜完整岩块的单轴饱和抗压强度为80MPa)，小值平均值为23.5MPa。

经综合分析判断，边墙蚀变影响区域围岩完整性较差、承载能力偏低，对岩锚梁整体稳定不利。

3 蚀变带岩锚梁结构设计思路和加强方案

金丰年等[1]认为岩锚梁主要有3种破坏形式：①受拉锚杆破坏(屈服或被拔出)；②下部交界斜面剪切破坏(抗滑稳定)；③下部交界斜面岩体被压坏(基础承载力不足)。

蚀变带影响区域岩体完整性较差且深入围岩达3m～4m、承载能力偏弱、混凝土/岩物理力学参数偏低，存在①、②和③类破坏的可能性，因此，有必要采取针对性加强措施。

经初步计算，在不采取任何加强支护措施的条件下，蚀变带区域岩锚梁抗滑稳定系数不满足规范要求，结合考虑岩锚梁的3种破坏形式，针对岩体蚀变带区域的岩锚梁，设计采用增设扶壁墙方案进行加强处理，并利用预应力锚索将扶壁墙固定在边墙上(具体方案见图3)。扶壁墙+预应力锚索措施具有以下四个优势：①增加蚀变带区域围岩围压，提高围岩承载能力；②增加岩锚梁竖向刚度，减小斜岩台法向压力；③扶壁墙与岩锚梁融为一体，提高岩锚梁抗滑稳定安全性；④降低后续开挖引起的蚀变带区域围岩卸荷松弛影响。

图3 岩锚梁加强方案结构示意

现场增设的扶壁墙采用50cm厚钢筋混凝土结构，预应力锚索采用无粘结式，设计荷载采用2000kN，锁定荷载采用1400kN。

4 岩锚梁抗滑稳定分析及扶壁墙高度选择

4.1 增设扶壁的岩锚梁抗滑稳定计算方法

对于未增设扶壁墙的岩锚梁，规范已给出经典的单滑面抗剪断强度公式，而增设扶壁墙的岩锚梁属于双滑面滑动模式，规范并未给出明确的计算方法。考虑到设计采用的扶壁墙与岩锚梁在结构上位移协调、内力平衡特点，参考重力坝坝基深层抗滑稳定计算(双滑面，等K法)，增设扶壁墙的岩锚梁抗滑稳定分析如图4所示，抗滑稳定极限状态设计表达式如下：

图4 岩锚梁(增设扶壁墙)稳定计算示意剖面

抗滑稳定安全系数：

(1)

扶壁墙与岩锚梁位移协调、内力平衡，η=η1=η2，即：

R1=[G1+FV+W)sinβ-Fhcosβ-Qsin(β-Ф)+

S1=(G1+Fv+W)cosβ+Fnsinβ-Qcos(β-Ф)

S2=QcosФ+G2

(2)

式中，Q和Ф分别为扶壁墙与岩锚梁之间的作用力及作用力与垂直面的夹角，从偏于安全考虑Ф可取为0。根据公式(2)求出接触面抗力Q，再代入公式(1)，可求得扶壁墙和岩锚梁的抗滑稳定安全系数。按照《地下厂房岩壁吊车梁设计规范》(NB/T 35079-2016)，该系数大于1.0即满足规范要求。

4.2 扶壁墙高度选择

从王宏利等[2]研究成果来看：扶壁墙结构可以提高岩锚梁的稳定性，但当扶壁墙高度达到一定数值后，其对岩锚梁的抗滑稳定安全性改善效果越来越不明显。因此有必要针对蚀变带区域扶壁墙高度进行敏感性分析。

图5为扶壁墙高度与岩锚梁抗滑稳定安全系数关系图，由此可见：当扶壁墙高度为2m、5m、9m时，岩锚梁抗滑稳定安全系数均满足规范要求，安全系数分别为1.05、1.15、1.16。对于蚀变带区域的岩锚梁，扶壁墙结构可以有效提高岩锚梁抗滑稳定安全性，但当扶壁墙高度超过5m时，提升效果并不明显。由此初步判断：扶壁墙高度选择2m或5m较为经济。

图5 扶壁墙高度与岩锚梁抗滑稳定安全系数关系

图6和图7为岩壁角与岩锚梁抗滑稳定安全系数关系图，由此可见：岩壁角与岩锚梁抗滑稳定安全系数成正比，岩壁角的增大有益于提高岩锚梁抗滑稳定安全性。当岩壁角为30°时，增设2m扶壁墙的岩锚梁抗滑稳定安全系数为0.95，不满足规范要求；增设5m扶壁墙的岩锚梁抗滑稳定安全系数为1.05，仍然满足规范要求。

图6 岩壁角与岩锚梁抗滑稳定安全系数关系(扶壁墙高度2m)

图7 岩壁角与岩锚梁抗滑稳定安全系数关系(扶壁墙高度5m)

图8为岩/混凝土粘聚力与岩锚梁抗滑稳定安全系数关系图，由此可见：当粘聚力为0时，增设5m扶壁墙的岩锚梁抗滑稳定安全系数达到1.10，仍然满足规范要求。

图8 岩/混凝土粘聚力与岩锚梁抗滑稳定安全系数关系(扶壁墙高度5m)

综上判断：扶壁墙高度选用5m是安全可靠且经济合理的。

5 蚀变带区域岩锚梁稳定性数值分析

对于常规岩锚梁设计，一般采用工程类比、经验公式等方法，国内外也曾做过模型试验以验证设计假定，但是，由于模型试验的局限性、围岩条件的差异性和经济性等方面原因，模型试验并不是理想的解决问题的办法。因此，先按经验方法进行岩锚梁的初步设计，接着通过三维非线性有限元数值模拟进一步分析岩锚梁的受力状态并复核各项指标，这一思路已逐步为设计人员采用。本章将采用数值计算法分析蚀变带区域增设扶壁墙的岩锚梁效果。

5.1 计算模型与计算参数

根据岩锚梁结构设计思路和加强方案(扶壁墙高度为5m)，建立如图9所示数值计算模型，在岩壁和吊车梁之间设置interface接触面单元。岩锚梁采用C30混凝土浇筑，相关计算参数取值见表2。

图9 数值计算模型

表2 数值模型力学参数取值

5.2 岩锚梁稳定性分析结果

图10给出了增设扶壁墙方案下岩锚梁锚杆在施工期的受力特征，受厂房后续开挖卸荷影响，岩锚梁受拉锚杆应力逐步增大，洞室开挖完成后岩锚梁受拉锚杆的应力在200MPa左右。运行期桥机轮压荷载作用下，岩锚梁受拉锚杆应力增量一般在40MPa左右，单根锚杆轴向应力最大增量分布在吊车梁与岩壁交接处。如图11所示。

图10 施工期厂房开挖完成岩梁锚杆受力特征

图11 桥机轮压荷载作用下岩梁锚杆应力增量

综上所述，施工期开挖卸荷与运行期轮压荷载作用相互叠加情况下，岩锚梁锚杆应力水平仍不高，具备较高的安全裕度。

根据运行期岩锚梁与围岩接触面法向应力分布特征(见图12)，斜岩台区域的压应力最大值仅在0.4MPa左右，结合蚀变带影响区域岩体单轴饱和抗压强度实验成果(表2)来看，蚀变带影响区域围岩承载能力满足要求。

图12 运行期轮压荷载下岩锚梁与围岩接触面法向应力

增设扶壁墙方案能有效改善施工期和运行期的岩锚梁与岩台接触面应力状态，但扶壁墙结构自身的受力状态相对复杂，总体以竖向应力为主。图13给出了蚀变带洞段岩锚梁扶壁墙竖向应力云图，扶壁墙竖向应力分布特征：扶壁墙靠近围岩一侧处于受拉状态，最大拉应力约1.1MPa；扶壁墙外侧处于受压状态，最大压应力约1.7MPa。设计采用应力配筋法，针对扶壁墙配置双层双向钢筋网φ25@200mm。

图13 运行期蚀变带洞段岩锚梁扶壁墙竖向应力云图

6 结语

本文针对岩体蚀变影响区域岩锚梁的稳定性进行探讨，分别利用刚体极限平衡法和数值分析法，重点研究了蚀变带岩锚梁增设扶壁墙的设计方案和加强效果。结论如下：

(1)岩锚梁增设扶壁墙结构可有效提高岩锚梁的抗滑稳定性，但当扶壁墙超过一定高度后，其对岩锚梁的抗滑稳定安全性改善效果将越来越不明显。通过抗滑稳定分析认为：对于杨房沟地下厂房蚀变带区域的岩锚梁，增设5m高的扶壁墙是安全可靠、经济合理的。

(2)扶壁墙结构自身的受力状态相对复杂，靠近围岩一侧处于受拉状态，最大拉应力可达到1.1MPa左右，设计在扶壁墙内外侧配置了双层钢筋网，防止扶壁墙在施工期和运行期产生裂缝。

(3)数值计算表明，增设扶壁墙对运行期岩锚梁稳定有较好的控制效果，能够有效地控制岩锚梁抗滑稳定、岩锚梁基础受力、锚杆受力，提高了岩锚梁在施工期和运行期的安全裕度。