新疆阜康抽水蓄能电站主厂房顶拱块体稳定性分析和支护设计

景 浩,艾 飞

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071)

0 前 言

抽水蓄能电站地下洞室在开挖过程中,围岩所处的静力平衡被打破,岩块可能沿着结构面向临空方向运动,发生失稳[1]。尤其是洞室顶拱,容易发生冒落掉块现象,对施工人员和设备安全造成威胁[2-3]。1985年,Goodman和石根华提出的块体理论可以有效解决结构面和临空面组合形成的块体稳定性问题[4-5]。二十多年来,块体理论被广泛运用到包括三峡工程在内的各大水电站地下洞室工程建设中[6-8]。块体理论也在工程实践中得到了进一步的发展和外延。石广斌等提出了地下洞室块体稳定安全标准及其应用[9];张雨霆等提出了基于数值分析的岩石块体稳定性分析一般性方法[10];周扬一等利用极限平衡法及强度折减法两种方法计算了块体的安全系数,并对两种方法进行了对比分析[11];杨东升等提出了基于BIM技术的水电站地下洞室定位关键块体分析方法[12];张争等进行了块体稳定性影响因素的敏感性分析[13]。对于结构面未贯通的可移动块体,郑银河等将岩桥抗剪力放入块体稳定性计算中[14];郭牡丹等提出岩桥贯通强度及贯通准则,并运用到块体搜索及稳定性计算中[15]。水电站地下洞室开挖会形成临空面,可能会产生掉块、滑动等局部失稳破坏,给工程建设带来不利影响,通过块体分析,准确判断和预测各种块体稳定性,对安全施工有重要意义。

阜康抽水蓄能电站地质编录资料显示,地下厂房区断层与裂隙较发育,不同产状的结构面相互切割,形成不同大小、各种形状的块体。尤其在地下厂房第一层开挖后,弧形临空面与贯穿型结构面的不同组合,容易形成悬吊型不稳定块体,在重力作用下,可能出现冒落的现象,主厂房中导洞开挖现场 如图1所示。若不能在第一层开挖时及时发现并采取加固措施,将对后续下卧施工与电站运营带来安全隐患与处置难度。此外,由于工程建设的需要,在保证安全的前提下尽可能对洞室围岩支护进行优化。因此,对块体的稳定性分析与锚固措施校核是很有必要的。

本文根据开挖揭露的阜康抽水蓄能电站主厂房地质编录资料,对主厂房顶拱的围岩稳定性和支护措施进行分析和评价,搜索关键块体,找出关键块体,并计算其大小规模、埋深等,分析其失稳模式分析,对现有锚固措施进行校核,并提出支护措施,对支护效果进行验证。

1 工程地质条件

1.1 工程概况

新疆阜康抽水蓄能电站是国内第一个采用EPC建设模式的抽水蓄能电站,为日调节纯抽水蓄能电站,工程位于新疆昌吉回族自治州阜康市境内。电站装机容量1 200 MW(4×300 MW),设计年发电量24.1亿kWh,设计年抽水用电量32.13亿kWh,综合效率约为75%。输水系统采用“1洞2机”布置型式,水平距离约为1 815 m。主厂房、主变洞及尾闸室三大洞室采用平行布置方式,地下厂房洞室群布置如图2所示。主厂房埋深263 m左右,纵轴线方向NE20°,开挖尺寸185.50 m×24.30(26.10)m×56.30 m(长×宽×高),岩锚梁以上最大开挖跨度26.10 m。

图2 阜康抽水蓄能电站地下厂房洞室群布置

1.2 围岩结构特征

主厂房部位出露岩性为灰黑色、灰绿色硅质岩夹砂岩(C2-2),中厚层为主,层厚一般20～50 cm。岩层产状NW270°～275°,NE∠30°～40°,岩层走向与厂房轴线方向呈大角度相交(70°～75°),岩体微风化～新鲜,断层影响带附近岩体强～弱风化。

1.3 节理裂隙发育特征

根据主厂房第一层开挖揭露的断层节理裂隙资料,主厂房第一层开挖地质编录如图3所示,绘制出主厂房第一层裂隙统计如图4所示。主厂房部位断裂构造较发育,优势结构面主要包括3组:

图3 阜康抽水蓄能电站主厂房第一层开挖地质编录

图4 阜康抽水蓄能电站主厂房第一层开挖断层节理裂隙统计

(1) 组走向NW270°～275°,倾向NE,中倾角为主,一般30°～45°,多以层间断层为主,规模相对较小,较发育,一般宽3～30 cm,面较平直、较光滑,充填碎裂岩、岩粉、泥质等。

(2) 组走向NW310°～330°,倾向NE/SW,中陡倾角为主,一般30°～75°,发育,一般宽5～50 cm,个别规模相对较大,充填碎裂岩、断层泥等。

(3) 组走向NW340°～N,倾向SW,少量倾NE,中陡倾角为主,一般50°～90°,较发育,规模相对较大,面较平直、较光滑,充填碎裂岩、断层泥等。同时发育多组节理,延伸较短,但分布较广。走向多与层面平行或垂直,发育间距5～20 cm,倾角一般25°～40°,部分陡倾。

1.4 围岩分类特征

根据开挖揭露的围岩岩性、结构面发育情况及地下水活动性等,对地下厂房第一层洞室围岩进行了分类,围岩分类如图5所示。由图5可知,厂房顶拱围岩两端较差,中间较好,围岩以Ⅱ～Ⅲ类为主,少量Ⅳ类。其中Ⅱ类围岩占比25.3%;Ⅲ1类围岩占比45.8%;Ⅲ2类围岩比23.5%;Ⅳ类围岩占比5.4%。

图5 阜康抽水蓄能电站主厂房围岩分类

1.5 结构面物理力学特征

主厂房各类断层及裂隙力学参数建议值如表1所示。

表1 阜康抽水蓄能电站主厂房断层及裂隙力学参数

2 块体稳定性分析方法

块体理论首先将结构面和开挖临空面看成空间平面,块体是由空间平面构成的几何凸体,将各种作用荷载看成空间向量,应用几何方法(拓扑学和集合论)研究在已知各空间平面方位的条件下,岩体内可形成的块体类型及其可动性。然后通过静力平衡计算,求出各类可移动块体的滑动力及安全系数,作为工程加固措施的设计依据。在此重点介绍拱顶悬吊型块体的分析方法。

2.1 块体几何识别

块体几何识别主要是分析结构面和工程开挖面能否相互切割形成封闭空间体。基于拓扑学原理,通过赤平投影和矢量运算方法研究结构面与临空面来分析洞室开挖后可能形成的块体。通过引入开挖锥(EP)、节理锥(JP)、空间锥(SP)进行块体有限性判断,达到块体识别的目的。块体有限的充分必要条件为:

JP∩EP=Ø

(1)

2.2 块体可动性判断

图6为不同失稳方式块体可动性分析示意图。对于悬吊型块体,当块体冒落时,运动方向Sd与主动力合力r一致,即:

图6 块体可动性分析

Sd=r

(2)

且

∀i/(r·ni)0

(3)

式中:ni为结构面i指向块体内部的单位法向量。

2.3 未贯通结构面及假设剪裂面力学参数

根据主厂房第一层开挖实际揭露的地质情况,在定位块体识别过程中会考虑非贯通性的结构面及顶拱两侧边墙处假设拉裂面。对于顶拱的悬吊型块体,在块体潜在失稳过程中不存在作用于结构面上的法向正应力,结构面的摩擦强度不产生阻滑效果,只有黏聚力产生作用。因此,在块体稳定性计算中需要考虑未贯通结构面及假设剪裂面的黏聚力c*A(黏聚力*接触面面积)对块体的阻滑作用,其黏聚力根据连通率大小取值,选取黏聚力的最小值400 kPa作为连通率为0%时对应的计算参数,连通率按5%递增至100%,在连通率为100%时,黏聚力为0。在块体稳定性计算过程中,根据围岩地质条件和节理裂隙发育状况,选取不同的连通率以及其对应的黏聚力。围岩类别高的区域,节理裂隙相对发育,因此,假设剪裂面的连通率也相应取高值。

2.4 块体稳定性计算

根据NB/T 35090-2016《水电站地下厂房设计规范》的相关规定,采用刚体极限平衡法计算围岩块体稳定时,悬吊型块体稳定安全系数可按下列方法计算:

K=Pv/G

(4)

式中:K为块体稳定性安全系数;G为块体重力,kN;Pv为原设计锚杆、锚索在铅垂向的设计支护力,kN。

根据本工程的实际情况,针对未完全贯通的结构面以及假设剪裂面组合形成的悬吊型块体,在不考虑支护、考虑原设计支护、考虑追加支护3种条件下的稳定安全系数如式(4)～(6)所示:

(1) 不考虑支护条件下的稳定安全系数计算公式:

(5)

式中:K0为不考虑支护条件下的稳定安全系数;R(·) 为块体抗滑力,kN;S(·)为块体下滑力,kN;ci为块体的第i个结构面的黏聚力,kPa;Ai为块体的第i个结构面在块体中的表面积,m2;n为计算中考虑的结构面个数;i为所考虑的结构面序号,i= 1,2,…,n。

(2) 考虑原设计支护条件下的稳定安全系数计算公式:

(6)

式中:Kv为考虑原设计支护条件下的稳定安全系数。

(3) 考虑追加支护后的稳定安全系数计算公式:

(7)

式中:Kz为考虑追加支护后的稳定安全系数;Pz为追加的锚杆、锚索在铅垂向的设计支护力,kN。

2.5 块体稳定最小安全系数要求

根据NB/T 35090-2016《水电站地下厂房设计规范》中关于块体稳定最小安全系数的规定(如表2所示),在持久工况下,阜康抽水蓄能电站工程悬吊型块体稳定最小安全系数为2.00。

表2 块体稳定最小安全系数

2.6 块体稳定性分析流程

块体稳定性分析流程如图7所示。

图7 块体稳定性分析

3 块体稳定性分析结果

3.1 块体分布情况

根据现有的地质编录资料,对主厂房第一层开挖顶拱结构面可能切割形成的关键块体进行了详尽的分析,块体几何尺寸如表3所示,块体空间位置如图8所示。总体来看,主厂房顶拱结构面切割形成的块体的破坏模式均为顶拱冒落,形成的块体体积在236.16～995.43 m3,最大埋深在3.74～7.85 m。

表3 主厂房顶拱开挖块体信息

图8 主厂房第一层开挖顶拱块体空间几何形态分布

3.2 关键块体稳定性分析及支护措施

不考虑支护、考虑原设计支护、考虑追加支护3种条件下的块体稳定安全系数结果如表4所示。其中,所建议的连通率是在综合分析块体围岩类别、结构面特征以及敏感性计算结果基础上确定的。表4也显示了为了是块体稳定安全系数达到规范要求2.0所需锚索支护的数量。图9显示的是块体追加锚索支护所在的位置。

表4 主厂房第一层开挖块体追加支护方案推荐

图9 主厂房第一层开挖顶拱块体支护措施

4 支护效果验证

为了保证地下洞室围岩稳定,根据洞室地质条件,在多个断面开展监测工作。位于厂左0+001.25顶拱中心线上的多点位移计M403-CFA1在主厂房第一层中导洞开挖完成后于2019年7月10日布设,该测点位于块体ZC1-2和ZC1-3附近。多点位移计M403-CFA1位移监测曲线如图10所示,随着第一层扩挖,表层0～2 m围岩变形快速增加,达到14 mm,深部的区域围岩变形较小,在2 mm左右;后续第二、三层开挖,对围岩变形影响较小,表明根据表4中所列结果追加锚索支护后拱顶块体及周边围岩目前趋于稳定状态。

图10 主厂房顶拱多点位移计M403-CFA1位移监测曲线

5 结 论

通过对阜康抽水蓄能电站主厂房顶拱块体稳定性分析,可以得到以下结论:

(1) 阜康抽水蓄能电站地质编录资料显示,地下厂房第一层开挖后,弧形临空面与贯穿型结构面的不同组合,容易形成悬吊型不稳定块体,在重力作用下,可能出现冒落的现象。

(2) 通过块体定位分析,主厂房顶拱结构面切割形成的块体的破坏模式均为顶拱冒落,形成的块体体积在236.16～995.43 m3,最大埋深在3.74～7.85 m。

(3) 在考虑未贯通结构面及假设剪裂面的黏聚力对块体的阻滑作用的基础上,对块体进行稳定性分析,获得块体稳定性安全系数。为达到规范要求2.0稳定性安全系数,所需锚索支护的数量为2～5根。

(4) 监测数据表明,通过锚索支护之后拱顶块体及周边围岩目前趋于稳定状态。