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1、收稿日期:2005 - 11 - 25 作者简介:张 风,男,长江水利委员会设计院枢纽处,高级工程师 。 文章编号:1001 - 4179(2006) 01 - 0035 - 02 彭水地下电站厂房洞室布置及支护设计 张 风 周 述 达 郭 伟 (长江水利委员会 设计院,湖北 武汉430010) 摘要:彭水水电站是在复杂岩溶地区建设的大型地下电站,地下电站洞室群布置充分适应了厂区的围岩地质特 性,在高陡倾角的岩层中主厂房洞室平行于岩层走向布置,将主变布置在地表、 母线出线通过长竖井连接、 率先 采用新型的变顶高尾水隧洞,极大地减小了地下电站洞室群的规模;以充分翔实的地质勘探成果和多理论、 多
2、方法的数值模拟分析为基础,确定了主厂房顶拱以张拉锚杆喷锚支护为主、 边墙以预应力锚索及喷锚支护为主 的支护方案,在施工过程中强调 “新奥法”动态支护设计的理念,并在岩锚梁锚固、 预应力锚墩结构、 高边墙无盖 重固结灌浆等方面积极创新。 关 键 词:洞室布置;围岩支护;地下厂房;彭水水电站 中图分类号: TV731. 6 文献标识码: A 彭水水电站位于乌江干流下游,重庆市彭水县县城上游11 km ,是乌江干流水电开发的第10个梯级,水电站总装机容量 1 750 MW ,电站开发以发电为主,其次是航运、 防洪及其它综合 利用 。 枢纽总体布置为:河床部分为大坝及泄洪建筑物,右岸为地 下电站,左岸
3、为通航建筑物。大坝为碾压混凝土重力坝,坝高 116. 5 m ;电站布置在右岸为地下式厂房,安装5台单机容量为 350 MW的大型混流式水轮发电机组;通航建筑物布置在左岸, 由单线船闸 、 升船机两级过坝建筑物组成,按500 t级船舶过坝 设计 。 地下电站建筑物包括:引水渠 、 进水塔 、 引水隧洞、 主厂房 、 尾水隧洞 、 机组检修闸门室、 尾水检修闸门井、 母线出线洞(井)、 500 kV变电所 、 交通洞(井)、 通风及管道洞和厂外排水洞等 。 1 地质条件 地下电站建筑物位于峡谷河段的右岸山体内,岸坡山体较 宽厚完整 、 无深切沟谷 。厂区地表高程一般为360580 m ,山坡 坡
4、度角约33,尾水出口部位地形坡度较陡,平均约55 。 从下游尾水出口至上游进水口依次穿越:寒武系上统耿家 店组( 1 3g 3 3g)、 寒武系上统毛田组 ( 1 3m 2 3m)、 奥陶系下统 南津关组 (O 1 1nO 5 1n)、 奥陶系下统分乡组 (O 1 1fO 3 1n)、 奥陶系下统 红花园组 (O 1h)、 奥陶系下统大湾组 (O 1 1dO 3 1d)等地层 。地层走 向22 25,倾向110 115,倾角60 70 。 厂区断层 、 裂隙比较发育,断层主要为NW组和NNE组,其 代表性断层有f1、f8、f110、f68等;裂隙以陡倾角裂隙为主,裂隙长 度一般为0. 55 m
5、 ,大部分由压碎岩及角砾岩组成,方解石填充 胶结好 。厂房区地应力不高,最大主应力均值约10 MPa ,中主应 力均值约7 MPa。最大主应力平均方位角NE20,与坝址区岩层 走向基本一致。 2 - 2 3m 中发育W84强岩溶系统,O5 - 1 1n 、O5- 2 1n 中发育KW51强岩溶 系统,两岩溶系统规模大、 溶洞多 、 发育深,对主厂房布置构成关 键影响 。岩溶系统在200 m高程以上顺层发育,随埋深增加逐 渐减弱,在软弱夹层 (C 2、 C5、C4)和断层 (f 8、 f110)破碎带交汇处发 育较大规模溶洞,W84系统属深循环热水与浅层水混合岩溶系 统 。 厂区软弱夹层性状较差
6、的共计58条,按成因 、 性状分为泥 化夹层 、 破碎夹层 、 风化溶蚀填泥软弱带3类 。其中厚度较大、 性状较差,对围岩稳定影响较大的有:类夹层801、514、504、 052等, 类夹层401、404、406等, 类夹层C0、C2、C4、C5。其中 类夹层风化强烈、 强度低,部分地段已强烈溶蚀形成溶洞,洞 中充填有黄泥、 块石等 。 厂区范围O3 1n 、O4 1n 、O5- 1 1n 、O5 - 3 1n 、 1 3m等岩层属于 类围岩, O 2 1n、 2 - 2 3m 、O 5 - 2 1n 、O1 1f、 O2 1f层岩体属 类围岩 ,O3 1f 、O1 + 1 1d 等层属 类
7、围岩 。其中红花园组O2 1h、 南津关组 O1n、 寒武系白云岩3m、 3g 灰岩 、 白云岩单轴饱和抗压强度6080 MPa ,大湾组 、 分乡组 、 红 花园组页岩单轴饱和抗压强度10 MPa。 2 主厂房洞室布置 主厂房布置比较研究过首部、 中部 、 尾部3种方案,最终选 定中部方案。 在中部方案地下电站洞室群布置中,设计力图使主厂房洞 室避开KW84与KW51两个岩溶系统及C0、C2、C4、C5等 类软弱 夹层,以保证主厂房洞室围岩的稳定,并确定了以下布置原则: 主厂房及其附属洞室上游不穿越C4夹层及KW51岩溶系统 、 下 游不进入 2 - 2 3m 及W84岩溶系统,主厂房顶拱置
8、于南津关组岩层 O 3 1n,O 4 1n中 ,与C2夹层保持一定距离以保证顶拱安全。 主厂房位于南津关组O 3 1n、 O 4 1n 类围岩中,断裂不发育,且 第37卷 第1期人 民 长 江Vol. 37 ,No. 1 2 0 06年1月Yangtze RiverJan. ,2006 小断层 、 裂隙大多被方解石充填,胶结好 、 岩体强度较高,可以较 好地满足洞室围岩稳定的要求。O 3 1n、 O4 1n岩层段的水平厚度约 60 m ,岩层倾角65,主厂房宽度30 m、 高度76. 5 m ,下部岩层的 层位偏移约33. 6 m ,在O 3 1n、 O 4 1n中仅能布置一个主厂房洞室 ,加
9、 上断层对岩层的水平错动影响,主厂房洞室位置的调整余地极 小,考虑地应力因素后,主厂房的纵轴线只能平行岩层走向布 置 。 C类夹层及岩溶系统是影响主厂房布置的又一主要因素, KW51岩溶系统及 C类夹层分布在主厂房上游侧,KW51主要沿C4 夹层顺层发育,岩溶规模及影响范围较大、 地下水丰富,对主厂 房顶拱 、 上游高边墙的围岩稳定以及附属建筑物的布置较为不 利 。 在主厂房下游侧 2- 2 3m 岩层中发育的W84属深循环热水与浅 层水混合岩溶系统,顺层发育 、 岩溶规模及影响范围大、 地下水 丰富,将危及主厂房下游侧边墙下部及尾水管的围岩稳定,在布 置上应予以回避。 主厂房上游侧顶拱及拱座
10、部位为O 4 1n岩层 ,下游侧顶拱 、 拱 座及机组安装高程201. 0 m以上边墙为O 3 1n岩层 ,围岩性状较 好,岩锚梁基岩条件较好。下游边墙机组安装高程以下至底板 绝大部分为O 2 1n页岩岩层 ,性状相对软弱。据岩层产状分析,上 游侧高边墙为陡倾角、 逆向岩层组合;下游侧高边墙为陡倾角、 顺向岩层组合,岩性相对较弱的O 2 1n、 O 1 1n岩层在下游边墙下部出 露,对下游边墙的围岩稳定十分不利。 根据以上分析最终确定:将主厂房顶拱置于南津关组O 3 1n、 O 4 1n岩层段中部 ,其纵轴线平行于岩层走向为NE24,即厂房轴线 与岩层走向呈0 交角 。 主厂房洞室开挖跨度30
11、 m ,长252 m ,其中主机段长175 m、 安装场长58 m ,左端副厂房段长18 m。厂房顶拱高程248 m ,发 电机楼板高程220 m ,机组安装高程201 m ,最低开挖高程171. 5 m ,最大开挖高度76. 5 m ,全断面开挖高度59 m。 引水隧洞采用一机一洞布置,圆型断面 。洞径13号机为 14 m ,4号机12. 5 m ,5号机10. 5 m。尾水隧洞采用一机一洞变 顶高尾水隧洞,城门洞型断面,最大开挖跨度15. 2 m ,最大高度 约30 m ;1号机流道最长,总长为940. 07 m ,其中尾水洞长481. 61 m。 主变及GIS布置在主厂房上部高程380
12、m处的地面500 kV 变电所内,主厂房与500 kV变电所由5条160 m高的母线竖井 相连 。进厂交通洞在主厂房右端墙进入安装场,入口在高程 270 m处与厂区公路相通,交通洞断面为城门洞形,长约1 000 m。 为防止江水沿岸边岩溶通道、 溶隙 、 卸荷带等渗入地下厂 房,在地下厂房沿江侧设置防渗帷幕;考虑到山体地下水位较 高,为防止地下水渗入主厂房,在主厂外围布置了3层排水洞及 其排水孔幕,其中靠江侧排水洞兼作帷幕灌浆洞,3层灌浆排水 洞高程分别为270、240、200 m。 3 洞室围岩稳定支护与加固 彭水地下厂房支护设计根据详实的工程地质资料以及多理 论的数值模拟分析和工程类比分析
13、成果确定,并在施工过程中 进行动态调整 。在主厂房洞室围岩稳定的施工开挖及支护数值 模拟方面,先后完成了三维弹塑性损伤有限元的计算分析、 PHASE2软件的平面弹塑性计算分析、FLAC3D软件的三维弹塑 性计算分析 、3DEC软件的三维离散元计算分析。结合地质资料 对开挖支护施工过程进行模拟分析,可以系统了解主厂房洞室 在不同施工阶段的围岩变形及加固支护特征,根据施工过程中 开挖揭示的围岩变形及应力特征及时反馈,调整加固措施及支 护 、 钻爆参数,实践“新奥法”的动态设计理念。 3. 1 厂房顶拱支护 主厂房拱顶位于南津关O 3 - 2 1n 、O 3 - 2 1n 、O 4 1n灰岩中 ,岩
14、体的完整 性 、 稳定性较好,属 类围岩,岩层产状有利于下游拱座稳定,而 对上游拱座稳定不利。开挖模拟计算的多项成果表明顶拱、 拱 座均为受压且塑性区很小,离散元法计算分析表明在上游拱座 附近有局部掉块现象。设计对拱顶采用系统的钢质楔头中空注 浆张拉锚杆及15 cm厚喷钢纤维混凝土进行支护,锚杆直径32 mm、 长8 m和10 m间隔布置 、 间距1. 5 m1. 5 m ,初期张拉力大 于90 kN。开挖中根据围岩变形情况,在顶拱上游侧进行了局部 的锚杆加密及加固。实践表明,上述支护设计有效地加快了顶 拱施工进度、 保证了顶拱开挖支护施工质量。 3. 2 上游边墙加固及支护 上游高边墙出露岩
15、层为南津关组O3 - 1 1n 、O3- 2 1n 、O 3 - 3 1n 灰岩,岩 石的完整性和稳定性较好,为陡倾角逆坡向产状,但部分岩层层 面夹薄层泥化页岩结合较差。由于边墙沿岩层走向开挖,加上 5条引水隧洞 、5条母线洞在上游边墙交汇,上游边墙岩体的挖 空率较高,上游岩锚梁底距母线洞顶的最小距离约3. 5 m ,母线 洞距引水隧洞的最小距离仅9 m。离散元法模拟计算成果表 明,上游边墙的卸荷松弛变形较大,特别应对各洞室交汇区进行 重点加固 。设计采用的支护为系统喷锚支护加无粘结预应力锚 索加固,喷15 cm钢纤维混凝土;普通砂浆锚杆直径32 mm ,长6 m和9 m间隔布置,间排距1.
16、5 m1. 5 m;预应力锚索为2 000 kN级,张拉锁定值为1 500 kN ,长25 m,间距4. 5 m4. 5 m ;另在 各洞室与边墙交汇处沿周边布置两排直径32 mm、 长12 m张拉 锚杆进行锁口加固。此外,为保证各洞室交汇区边墙的稳定及 开挖质量,对开挖施工顺序、 洞室衬砌均进行限制与加强,并根 据表层围岩张裂松动变形的情况进行了部分固结灌浆。实际开 挖过程中部分边墙呈现沿层面的张裂、 折断 、 倾倒掉块状破坏, 但范围较小,后针对该部分岩层补充、 调整了张拉锚杆,并对各 洞间边墙调整加密锚索间距为3 m ,岩锚梁基岩成型较好,围岩 稳定情况正常。 3. 3 下游边墙加固及支
17、护 下游侧墙围岩为南津关组O3 - 2 1n 、O3- 3 1n 、O1 - 1 1n 灰岩和O 2 1n白云 质页岩,岩体的完整性和稳定性也较好,属 、 类围岩,岩层为 陡倾角顺坡向产状。设计采用系统喷锚支护和无粘结预应力锚 索进行加固,系统锚杆直径32 mm ,长6 m和9 m间隔布置 、 间排 距1. 5 m1. 5 m ;预应力锚索为2 000 kN级锁定张拉力1 500 kN ,长25 m、 间距4. 5 m4. 5 m。实际开挖过程中,在主厂房开 挖高度至30 m时,部分边墙呈现沿层面的张裂、 错动 、 滑移掉块 破坏,探洞揭示的O 2 1n页岩受开挖爆破扰动影响后强度及完整性 大
18、为下降,因其位于边墙下部,对下游边墙及整个洞室围岩的稳 定极为不利 。为此对下部O2 1n岩层将普通砂浆锚杆调整为张拉 锚杆 、 间距1. 2 m1. 2 m ,并将下部未施工的边墙锚索间距调整 为3 m ,对上部已施工边墙锚索进行了补充加密,对上部边墙表 层已张裂范围进行全面固结灌浆。此外,对下部岩体的开挖支 (下转第44页) 63 人 民 长 江 2006年 以右岸为主,场地布置须注意受大坝上升后度汛和蓄水的影响 和冲沟排水问题。考虑到场内外交通、 导流程序 、 枢纽布置,施 工工厂设施布置等因素对施工场地分区进行布置,共分6个施 工区,工区占地171万m 2 。 主要施工工厂设施包括:
19、(1) 右岸鸭公溪砂石加工系统。位于右坝肩 300 m ,系统规 模按月混凝土浇筑强度16. 0万m 3 设计,系统成品设计生产能 力为骨料722 th ,砂315 th。 (2) 右岸混凝土生产系统。系统设44. 5 m 3 拌和楼2座, 23 m 3 强制式拌和楼1座,配备制冷楼2座,可生产1214 低温混凝土 。 (3) 左岸砂石加工系统。该系统利用符合骨料加工条件的 开挖料生产骨料,系统骨料处理能力为220 th。 (4) 左岸混凝土生产系统。系统设 31. 5 m 3 拌和楼1座, 配备制冷;90 m 3 h拌和站1座 。 (5) 供 水 系 统 。布 置 在 右 岸 上 游,系 统
20、 总 规 模 为3. 85 万td ,其中生活用水0. 5万td ,生产用水3. 35万td。 (6) 施工供电 。根据施工用电需要 ,工地设110 kV变电所1 座,工区配电网络电压选择10 kV ,有12回10 kV出线,使用10 回,备用2回 。 6 施工总进度 工程总工期68个月,发电工期50个月 。其中施工准备期 16个月(第1年9月至第2年12月 ) , 主体工程施工期 34个月 (第3年1 月至第 5年10月 ) , 工程完建 18个月(第5年11月至 第7年4月)。工程计划于第5年10月发电,于第7年4月完 建 。 控制性施工进度如下: 第1年9月,导流洞工程开工,第2年10月
21、,导流洞具备过 水条件 。 第2年10月,围堰开始填筑,11月中旬截流 。 第3年2月,河床基坑开始开挖,汛期基坑过水,汛后进行 基坑清理,11月开始浇筑大坝混凝土;第4年4月溢流坝段浇筑 至高程250 m ,汛期基坑过水;汛后11月继续浇筑大坝混凝土, 第5年79月浇至设计高程301. 5 m ,10月15日完成3扇表孔 闸门 、2扇事故门和4扇临时挡水叠梁门安装,下闸畜水 。 第1年6月,开始地下厂房施工支洞的开挖,10月开始主厂 房顶拱的开挖,第2年8月开始岩锚梁施工,11月开始地下厂房 下部的开挖;第3年10月,开始地下厂房混凝土的浇筑和机组 一期埋件施工;第5年5月开始首台机组 (4
22、 号机机组)安装工 作,10月底4号机组发电 。 第6年3月,升船机安装调试完成;4月拆除升船机围堰。 第7年2月,第5台机组发电,工程完建 。 (编辑:赵树湘) (上接第36页) 护施工程序进行了调整,限制各开挖层高为5 m、 严格要求支护 紧随开挖面进行,开挖1层支护1层 。 3. 4 岩锚吊车梁的锚固 彭水地下厂房的吊车梁采用岩锚吊车梁,主厂房上游边墙 围岩为南津关组O 3 - 1 1n、 O 3 - 2 1n、 O 3 - 2 1n、 O 4 1n灰岩 ,下游边墙围岩为南津 关组O3 - 2 1n 、O3 - 3 1n 、O4 - 1 1n 灰岩和O2 1n白云质页岩 。岩锚梁基础岩体
23、 为南津关组O 3 - 2 1n 、O 3 - 3 1n 、O 4 - 1 1n 岩石坚硬完整,稳定性较好,但岩层 层面发育 。在岩锚梁基础开挖过程中,呈现沿层面松动、 张裂变 形现象,后经边墙固结灌浆处理,其完整性有较大提高。 岩锚梁锚固体系一般分为预应力与非预应力两类,均要求 在开挖至岩锚梁下部23 m范围时完成岩锚梁的浇筑与受力 锚杆的锁定,由于岩锚梁的断面刚度较大、 锚固体系的约束较 强,为满足桥机运行要求,其分段长度不能太小,因此岩锚梁适 应后续边墙开挖变形的能力较差。目前地下厂房施工过程中出 现了大量岩锚梁开裂的现象,主要原因就是适应下部边墙变形 的能力差 。彭水地下厂房岩锚吊车梁
24、在主厂房开挖第3层后进 行混凝土浇筑,采用预应力锚固体系,其中受力锚杆采用直径 32 mm的精轧螺纹钢 、 设计张拉锁定值为 200 kN ,岩锚梁混凝土 浇筑完成后,初始张拉锁定100 kN ,用以固定并适应边墙的开挖 变形 。后期待边墙开挖支护完成后,再将受力锚杆张拉锁定至 设计值,并完成梁体内锚杆锚固段的灌浆,最终完成岩锚梁的施 工 。 3. 5 预应力钢锚墩的运用 大型地下厂房的洞室围岩支护及加固,需要较多地运用预 应力锚索 。现行的预应力锚索外锚墩大部分采用钢筋混凝土现 浇或预制,同时为适应不同的锚固角度及开挖不均引起的起伏 差尚需进行二次局部清挖。这样一方面延迟了预应力锚索加固 的
25、时效性,同时二次清挖爆破造成的围岩破坏将极大地影响非 常敏感的围岩二次应力调整,对开挖后本已处于应力松弛状态 的围岩造成非常不利的影响;对于彭水地下厂房这种顺岩层走 向开挖 、 层面结合较差的围岩地质条件,更加容易引起高边墙的 局部垮塌与失稳。为此彭水地下厂房边墙的预应力外锚墩根据 围岩的性状采用了钢板锚墩,极大地方便了预应力锚索施工,加 快了施工进度,保证了支护的及时性,对减少围岩变形、 保证洞 室围岩稳定起到了十分重要的作用。 4 结 语 彭水地下电站在岩溶发育地区修建,地质条件复杂。主厂 房洞室的开挖跨度达30 m ,高度达76. 5 m ,由于主厂房在高陡 倾角的岩层中平行岩层走向布置
26、,地下厂房的工程规模及施工 难度较为突出。 地下电站主厂房的布置形式相对常规的地下厂房布置模式 取得了突破,采用内径14 m的国内最大压力输水管道满足电站 的调保要求及机组稳定要求,采用长深竖井将主变、GIS布置在 地表,采用变顶高尾水隧洞避免了设置巨型尾水调压井,将常规 的3大洞室减少为1个主洞,在限制较多的狭小区域内完成了 地下厂房的布置,避免了主厂房洞室穿越岩溶及其它大型地质 缺陷,对减少施工难度,缩短施工工期起到了十分重要的作用。 在彭水地下厂房洞室围岩的支护设计中,积极运用国际先 进的数值模拟计算技术及其成果,对各种重大影响因素进行预 先假定 、 积极求证,并及时根据现场施工反馈情况动态调整支护 设计,保证了主厂房洞室在围岩稳定的前提下顺利施工。 (编辑:常汉生) 44 人 民 长 江 2006年