哈德布特水电站地下厂房施工期洞室围岩稳定性分析及处理措施

陈 铭

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830000)

1 概述

哈德布特水电站为新疆目前已建的最大的地下厂房[1-3]，地下洞室[4-5]中主洞室采用“一字型”布置方式，地下厂房内布置4台50 MW设计水头为231.5 m的混流式水轮发电机组。地下厂房上覆岩体厚为210 m左右，埋深厚度大，地下厂房位于夹片麻岩、花岗岩脉组成的混合岩中硬岩岩体内，围岩较完整无大的断层通过，但局部结构面交汇切割作用，出现局部岩块滑移、塌落或局部的滑塌或碎块的坍塌等不同类型的围岩变形与破坏形式，根据前期勘察及开挖揭示的地质情况，洞室群整体稳定性较好且基本稳定。

2 存在问题及计算目的、方法

本工程地下厂房[1-3]围岩岩性主要为夹片麻岩、花岗岩脉的混合岩，中硬岩，围岩完整性好，其饱和抗压强度为60.4 MPa，软化系数为0.74；饱和弹模为75.3 GPa，变模为73.1 GPa，C=6.5 MPa，K0值为5 000～8 000 N/cm3。属Ⅱ类围岩。

地下厂房开挖到岩锚梁[6]附近发现多条断层与软弱带，对围岩稳定[7]、岩锚梁的浇筑成型与运行期间的稳定性带来诸多不确定因素。此处岩体完整性较差，在压剪和张拉情况下极易发生破坏，通过有限元[8]及离散元[9]2种方法进行分析，对无支护与有支护情况下地下洞室围岩[10]稳定性进行综合分析评价，并依此确定支护方案并进行加固处理。

3 典型断面模型与计算结果

计算根据开挖揭示的地质情况，建立地下洞室群的准三维模型(见图1)，岩体参数与结构面计算参数见表1。

图1 准三维计算模型示意

3.1 计算断面(桩号厂(横) 0+085.000)

根据开挖的现状及揭示的地质资料，从结合实际能反映开挖中全面及代表性考虑，选取具有典型断面(桩号厂(横) 0+085.000)作为本次分析的计算断面。桩号0+085.000的地质产状、有限元与离散元的计算模型见图2，有限元模型考虑F1、F7和L1，离散元模型考虑F1、F7、L1与L19，由于不能确定裂隙与软弱带的范围，计算分析时认为其无限延展。

表1 岩体参数

a 地质描述

b 有限元模型

c 离散元模型

离散元的结果显示，未支护情况下，受到断层与洞壁形成的顺倾向构造，导致上游拱角处变形较大，最大变形为4.45 cm，无支护情况下离散元计算见图3，裂隙与断层的错动变形较大，最大剪切位移达到6 cm，对于洞室的整体稳定有较大影响，存在潜在的滑移危险。锚杆支护情况下离散元计算见图4，支护后锚杆锁住了表层脱落的岩块，岩体变形为2.96 cm，岩体变形明显减小，但局部锚杆的受力较大，锚杆的最大锚固力达到接近890 kN，系统锚杆[11]已经进入破坏状态，必须增加支护结构的强度，避免后续开挖引起系统锚杆大范围的破坏。

利用有限元计算后可以发现，无支护情况下，围岩的整体变形不大，但是在裂隙与断层出露局部出现较大的变形，尤其上游围岩受到顺倾向地质构造的影响，变形围岩受到断层与裂隙的影响，岩锚梁附近围岩的塑性区[12]范围较大，而且主要集中在岩锚梁附近，上游岩梁的塑性区深度较大, 无支护情况下有限元计算见图5所示。采用系统锚杆仅能对表层岩体支护，很难对其深部岩体及断层进行加固，因此难以控制岩体局部产生的大变形,锚杆支护情况下有限元计算见图6所示。

a 围岩变形

b 剪切错动

c 最大主应力

a 围岩变形

b 锚杆力

a 围岩变形

b 塑性区

b 塑性区

3.2支护方案及加固

3.2.1支护方案

对于大跨度大型地下洞室，当出现多条裂隙与断层贯穿洞室时，为保证围岩的稳定性，往往采用锚索进行加强支护，目前锚索的类型主要有拉力型、压力型与复合型。其中改进的压力分散性型锚索[13]可有效改善内锚头的应力分布状态，充分发挥岩土自承的潜力，提高加固的可靠度，在岩土工程中得到越来越多的应用。预应力锚索通过主动施载改善并改变岩体薄弱层的性能和不利趋势，其可大致分为以下几方面：联结作用；组合作用；岩壳效应：互补性加强作用。

本工程中，参考国内水电站锚索的设计方案见表2，结合哈德布特水电站地下洞室群的特点，设计压力分散性系统锚索，具体方案为3 m×3 m，预应力为1 000 kN，锚索的长度为10 m与15 m间隔布置，锚索的具体截面尺寸见图7。

表2 各工程支护方式

图7 锚索截面示意

3.2.2加固计算(桩号厂(横) 0+085.000)

锚索的支护结构示意见图8。

利用离散元计算支护后岩体局部变形的最大值为1.97 cm，与系统锚杆支护的2.96 cm相比，围岩变形降低了42%，锚索支护情况下离散元计算见图9所示。利用有限元计算围岩变形的结果为3.52 mm，与系统锚杆支护的4.61相比，围岩变形降低了23%，锚索支护情况下有限元计算见图10～图11。比较锚索支护[14]前后围岩的变形可以发现，利用锚索的悬吊作用可以控制表层岩体局部的围岩变形，而且可以与岩体协调变形，持续提供一定强度的锚固力；另外其预应力也可以通过增加接触面的法向力，对深部岩体进行加固支护。由于锚索为局部加固，对提高岩体的强度与完整性作用不大，因此，岩体塑性区范围没有发生变化。

图8 锚索典型断面示意

2种计算方法的不同支护情况计算结果见表3。

表3 断面结果对比 cm

a 围岩变形

b 锚索受力

a 围岩变形

b 塑性区

a 锚索支护

b 系统锚杆

4 处理措施

根据岩锚梁附近多条断层与软弱带的实际情况，通过采用离散元及有限元对无支护与有支护情况下2种方法对比计算，须对此处进行处理。结合计算成果，具体主要采用以下处理措施：

1) 在断层影响区域增设对穿锚索及上、下游锚索。

2) 处理断层破碎带时，沿断层上、下各30～50 cm开挖，深度为断层宽度的1.5～2.0倍。对断层破碎带采用C30钢筋混凝土塞换填的方式。

3) 换填混凝土塞锚杆伸入基岩4 m，外露1 m。砼塞锚杆方向及位置、数量可根据实际岩层状况、监理工程师及现场设计地质工程师的指示进行调整。锚杆与钢筋网必须有效连接。

4) 增加该部位的临时监测，增加永久监测断面及锚索的监测设备布置，采用多点位移计。

具体的处理措施见岩锚梁断层处理示意(桩号厂(横) 0+085.000)见图12。

图12 岩锚梁断层处理示意

5 结语

哈德布特水电站地下厂房洞室围岩位于强度较高、完整性较好、埋深厚度大、的较新鲜岩体内，围岩无大的断层通过，根据围岩物理力学参数，属II类围岩。本工程在初步设计后即开展三维有限元分析计算，得出围岩整体稳定的基本结论，并对洞室提出主要采用系统支护的建议。洞室开挖过程中，在岩锚梁附近发现多条断层与软弱带，通过选择典型断面采用有限元与离散元2种方法对比计算，结合计算分析成果主要采取的工程措施：① 采用一定深度的混凝土塞置换该部分断层，在置换的混凝土塞一定范围内增加8～11 m长的砂浆锚杆，加强置换混凝土与围岩的连接；② 结合上、下游的已有洞室(上游水平排水洞及下游交通支洞)增设1 000 kN的对穿锚索，同时在断层影响范围上下游增设部分锚索，工程措施符合实际情况的同时施工相对简单。

通过采用有限元与离散元2种方式分析计算有支护和无支护2种情况下围岩的稳定性，结合计算成果制定了符合现场实际的加固措施并取得良好效果，工程目前运行正常，效益良好。同时为地下洞室类似问题的处理积累了部分经验，希望能对相似的工程具有积极的作用。