西龙池抽水蓄能电站地下厂房设计

周长兴 张 捷 赵朝霞 张万祝

(1.北京交通大学 北京 100044;2.北京水电勘测设计研究院 北京 100024)

1 概述

西龙池抽水蓄能电站位于山西省五台县境内,装机容量4×300MW,额定发电水头640m,为一等、大 (1)型工程。厂房位于下水库库尾左岸呈“鼻梁”状的山体中,厂区地层为寒武系张夏组、崮山组下段的灰岩岩层,依岩性不同划分为泥质鲕状灰岩、泥质条带状灰岩、泥质柱状灰岩、钙质石英粉砂岩,岩体结构以互层状和薄层状为主、纹理发育,岩层产状 NW290°～ 340°NE∠4°～ 10°。厂房洞室群位于F112和F118断层之间相对较完整的岩体内,其上覆岩体厚度170～330m,围岩以Ⅲb～Ⅲa类为主,顶拱围岩的稳定是工程的关键技术问题之一。

2 厂房位置与轴线确定

(1)厂房位置确定。

在满足枢纽总体布置的条件下,地下厂房位置确定主要围绕洞室围岩稳定展开工作,主要考虑避开地质断裂等不利构造的影响。前期勘探查清了厂区地质构造及发育规律,工程区规模较大的主干断层为F118、F112,其对地下厂房部位的断裂发育起着控制作用,厂区次一级的断层、张性断裂带较为发育,大部分表现为张扭性,张性断层带P5及裂隙密集带J7、J8规模相对较大。厂房位置确定的原则是:避开F118、F112、P5破碎带等地质构造发育区域;使厂房顶拱尽可能多地位于厚层岩层中。主体工程开工前结合地下厂房模型试验,探洞贯通厂房轴线且穿过F118、F112断层,进一步验证了厂房洞室位于F118、F112之间相对完整的岩块内。施工开挖揭露的地质情况基本与设计预测的一致,F112位于厂房左端墙外8.0～25.0m,其在崮山组岩层底部尖灭或在铅直面上呈雁行斜列展布,在厂房顶拱及距左端墙50m的范围内没有出露;F118断层位于厂房西侧外,距厂房右端墙42.0～55.0m;厂房部位围岩相对完整。

(2)厂房纵轴线方向确定。

厂房纵轴线应尽可能与厂区主要断层、裂隙等地质构造的走向成较大的夹角;纵轴线应尽可能地平行于初始地应力的最大主应力方向或与其成较小夹角。

根据厂区裂隙玫瑰图及实测的三维地应力成果,在满足洞室稳定和枢纽总布置要求的前提下,厂房轴线方向确定为NW280°。理由如下:

①F118、F112、P5等主要断层及破碎带与厂房纵轴线夹角均大于45°。

②主要裂隙组方向为NE30°～50°,次要裂隙组方向为 NE50°～ 30°、 NE50°～ 60°、 NW330°～ 360°。厂房纵轴线与主裂隙组方向夹角为50°～70°,与次裂隙组方向夹角均大于40°。

③轴线选择以地质构造为主,兼顾地应力等因素。工程区属中等应力场,最大水平主应力方向为近NE50°,与厂房纵轴线夹角约为50°。

推荐的厂房轴线 (NW280°),在厂房施工开挖过程中未出现在前期地质探洞中出现的 “片帮”及大的超挖等现象,厂房监测资料均在合理范围内,厂房轴线选择是合适的。

3 安装场位于厂房中部方案的确定

厂区围岩以Ⅲb～Ⅲa类岩石为主,一般最大水平主应力为12MPa,其与围岩饱和抗压强度之比为1︰3.33～5,洞室围岩稳定是该工程的关键技术问题。为此,对厂房安装场位置进行论证。

(1)围岩稳定。

据工程经验,在类似工程地质条件下,安装场一般位于厂房中间,主要是有利于洞室围岩稳定。

理论分析也证明安装场位于厂房中部可有效改善厂房围岩的应力、变位、松弛区范围等条件。根据计算分析,该工程安装场位于厂房中部有效地改善了洞室围岩的应力和变位,减少了洞周塑性区的范围。

(2)施工条件。

中、端部安装场方案的主要区别是主厂房Ⅴ～Ⅵ层开挖支护施工通道,中部方案对Ⅴ～Ⅵ层的施工通道和施工方法有一定影响,但采用竖井溜渣、结合机电设备布置安装场下可设通道同样可以满足,对开挖分层、步序、工期均无影响。两方案厂房轮廓尺寸相当,安装场位于中部方便机组安装和检修吊运,据此确定该方案。

开挖揭示厂区地质条件同前期勘测预测,围岩条件较复杂。采用中部安装场方案后,实测厂房上、下游边墙最大位移相对较小,锚杆等支护设施应力均在合理范围内,实践证明安装场位于中部符合西龙池工程的实际情况。

4 地下厂房顶拱开挖、支护方案的确定

在水平薄层围岩中建造地下厂房,由于薄层岩石纹理极发育,饱和抗拉强度介于0.1～0.4MPa之间,顶拱围岩稳定问题较为突出。施工开挖引起洞周应力重分布,且岩层间结合力差,易沿层间结合面脱开,产生弯曲、折断,进而向深层发展,形成塌落体、塌方,曾经在2m×2m地质勘探洞开挖时就出现过顶拱塌落现象。

(1)开挖支护方案。

根据工程经验及相关理论分析,水平薄层围岩中顶拱支护方案应防止围岩层间脱开,以充分利用围岩本身的作用。顶拱支护方案是:20cm厚的喷钢纤维混凝土,局部设喷混凝土肋拱;系统预应力锚杆,锚杆规格Ф32,间排距1.5m×1.5m,长度4.8m和7.2m;系统锚索,顶拱布置7排,4排为1600k N内锚锚索,3排2000k N为对穿锚索,行、排距为4.5m。

厂房共设四个系统监测断面,根据地质条件的变化增设5个顶拱随机监测断面,主要监测仪器借助周边排水廊道、锚洞采用预埋方式,即在主洞室开挖前埋设完成。获得比较真实的监测资料,根据监测资料进行跟踪分析,尝试数字化设计施工的管理模式。根据揭示的地质情况、监测资料及根据监测资料的反分析结果,过程中适时、动态调整支护参数,局部范围设置了喷混凝土肋拱、随机锚索、随机锚杆等措施。

支护的关键措施是先行开挖位于厂房顶拱上方28.5m处由地质勘探洞改扩建的锚洞,并提前完成锚索孔,在中导洞开挖时及时完成对穿锚索的施工。辅以喷钢纤维混凝土及锚杆及时跟进,避免了薄层岩体的松脱,保留其承载能力;中导洞完成锚杆、锚索等系统支护措施后,有利于两侧顶拱施工期的稳定,及整个厂房顶拱的稳定。此外,为避免洞室顶拱开挖后,平缓层状岩体在顶拱形成叠合梁结构,出现脱顶、板裂、弯曲或折断,在施工开挖过程中根据开挖揭示情况,采用锁边预应力锚杆等措施。顶拱开挖的顺利完成证明采取的措施是适宜的。

(2)开挖、支护施工步序。

顶拱开挖对围岩稳定、变形、应力及塑性区都有较大的影响。根据工程类比、理论分析,结合该工程的支护方案,确定顶拱采用中导洞开挖方案,即中导洞领先约30m,两边导洞扩挖依此跟进。该方案的目的是与支护方案相匹配,在中导洞中完成对穿锚索、预应力锚杆、首层喷混凝土施工,再扩挖边导洞,已有支护措施防止岩层层间脱开失稳;厂房位于工程的关键线路,在锚洞中施工锚索有利于缩短工期。由于现场施工能力限制,开挖支护方案调整为中导洞开挖支护领先,上游侧边导洞跟进,最后扩挖下游侧。锚喷支护滞后开挖面不大于10m,锚索距离掌子面不大于30m。

(3)监测资料分析。

监测断面布设考虑地质因素,主要仪器采用预埋方式。监测资料比较真实地反映了施工过程对围岩的影响,顶拱变位规律与地质条件相适应,仪器反映了开挖接近、开挖到、经过掌子面的变位情况。2005年12月24日顶拱累计最大变位16.27mm,其中中导洞开挖完后的变位占其39%;中导洞首次扩挖变位占其11%;中导洞二次扩挖完到顶拱层施工结束的变位占其37%;顶拱层施工累计变位占其87%;后期变位占其13%。

厂房自2004年1月开工,2005年12月完成整个洞室的开挖支护。

目前顶拱变位、锚杆应力、锚索应力等已稳定,且在合理范围内,洞室围岩稳定。

5 岩壁吊车梁方案确定

可研阶段因厂房围岩条件较差,吊车梁推荐采用常规的梁柱方案。招标阶段根据现场原位模型试验、国内外工程经验、理论分析等论证,确定该工程采用岩壁吊车梁方案。该工程确定岩壁吊车梁方案时应满足的几个条件为:

(1)地下洞室围岩整体稳定是修建岩壁吊车梁的基本条件。

(2)围岩饱和抗压强度应大于30MPa。

(3)接触面及主要结构面的抗滑稳定满足要求,即μ＜1(同时小于岩石与梁体混凝土的允许摩擦系数),且μ＜tgφ,(φ为岩石内摩擦角);或通过工程处理措施可以满足上述要求。

(4)岩壁壁座承载力〔σ〕＞σ。

(5)受力锚杆设计工况K ＞2.5,其校核工况K ＞2.00。

(6)围岩变位量值、沿厂房纵轴线方向的相对变位值不要太大,满足吊车运行要求。

该工程对围岩稳定进行了充分的分析,根据理论计算、工程类比论证地下厂房洞室围岩是稳定的;岩壁吊车梁位于∈Z22岩层中,围岩饱和抗压强度Ra=40～60MPa;岩壁壁座承载力〔σ〕＞σ;受力锚杆设计工况K ＞2.5,校核工况K ＞2.00;μ值满足上述要求或通过工程措施可以满足上述要求;原位模型试验验证各指标的合理性,即当吊车梁超载数倍于设计荷载条件下,各参数仍在合理范围之内。

鉴于岩壁吊车梁诸多的优越性,在招标阶段确定采用该方案。吊车梁已通过桥机及梁体的各工况试验,目前已经投入使用,各指标正常。

6 厂房自流排水方案的确定

厂区地下水主要为基岩裂隙水,地下厂房排水系统由厂区排水廊道等系统、厂内排水系统等组成。因厂房底板高于河道,具备修建自流排水洞的条件,因此招标阶段对其进行了论证,确定了自流排水洞方案。

(1)自流排水方案与常规排水方案比较:

常规排水方案厂内设有渗漏集水井,设多台深井水泵等机电盘柜。自流排水方案厂内仅设检修集水井,主要用于周转回收机组等设备运行时所需的水,取消渗漏集水井,缩短了主厂房尺寸,有利于厂房洞室围岩稳定;增加排水途径,即便厂内深井泵、或管路出现故障,减少水淹厂房的可能性,减少了电站运行风险,提高厂房运行的可靠性;若提前施工开挖,方便施工期的排水等;同时减少了渗漏深井水泵及相应的控制盘柜系统。两方案投资相当,经综合比较设置自流排水洞。

(2)自流排水洞布置:

自流排水洞始于厂房下层排水廊道右端,经下水库右岸,自2#公路0+3720m桩号侧岸出露,经2#公路涵洞,最终汇入滹沱河。全长1232.658m,高程696.451～711.900m,排水纵坡i=1.26%,断面为城门洞型,净尺寸2.5m×3m(宽×高),自流排水洞是厂区排水的重要通道。

7 结语

西龙池地下厂房地质条件复杂,设计中首先详细查清了厂区地质构造情况及规律,在开工前借助于模型试验洞,贯通厂房轴线,相对准确地确定了厂房位于相对完整的地层中,为工程建设争取了主动。经过工程类比、理论分析、施工、运行及投资等方面的综合比较,确定安装场位于厂房中部的方案,适合该工程的围岩条件。

结合水平薄层状围岩条件,确定对穿锚索、系统预应力锚杆、喷钢纤维混凝土的支护方案,同时利用预埋监测仪器获得的真实监测资料,进行反分析跟踪研究,动态调整支护参数。根据原位模型试验,确定采用岩壁吊车梁方案。根据地形条件,确定了自流排水洞的设计方案。

地下厂房于2005年12月开挖支护施工完成,到目前为止,洞室变位已稳定,吊车梁等已经投入运行。