某电站地下洞室群稳定性分析

摘要：介绍了某大型水电站调压室洞室群的布置情况，包括三井、四井两种不同方案调压室洞室群的布置格局、洞室间距，以及附属洞室布置。通过多方案的分析比较，确定了合理可行的设计方案。采用的研究方法主要是工程类比和有限元分析。

关键词：调压室；洞室群；三井；四井；布置；洞室间距；水电站

由于地下洞室群的开挖规模大，故对围岩扰动也是极大。因此在设计地下调压室洞室群时，需要对不同方案的初始地应力场以及开挖过程中围岩应力的变化规律进行研究；判断不同方案的围岩是否稳定，确定各方案洞室围岩的加固措施。现以某大型水电站地下调压室洞室群稳定性分析为例，对不同方案的洞室群进行合理性和可行性的对比研究。

1 概 况

1.1工程概况

某水电站位于我国西南的虎跳峡大峡谷河段，大坝为混凝土重力坝，厂址位于坝址下游约15km的右岸雄厚山体内。电站装8台水轮发电机，总装机规模为3000MW，电站引用流量2450m3/s。工程采用引水式开发，枢纽由拦河坝工程、引水隧洞、地下调压室、压力钢管和地下厂房等水工建筑物组成。

地下调压室洞室群主要包括引水隧洞、隧洞岔管、压力管道、地下调压室等，由于引水隧洞、调压室为多洞、多井布置，故洞室密集，规模巨大。引水发电系统采用4洞4井8管8机布置时隧洞单洞平均长约12091m（进水口至上游调压井前），洞轴线间距62m，隧洞内径12.8m，每条隧洞过流量612.5m3/s，洞内流速4.8m/s；阻抗式带上室调压井内径D=41.0m，井筒总高度为129.575m，调压井上室开挖相互连通，上室净空断面尺寸为14×18m，单个上室长度100m；高压力钢管道平行布置，内径8.4m，轴线间距为19.8m，单管额定流量306.25 m3/s，流速5.53 m/s，高压力钢管道平均长约353.4m。

1.2研究的目的

本工程调压室地下洞室群规模宏大，洞室最大跨度、洞室最小间距及井筒特大高度开挖等均已超出现行规范的范围，调压井地下洞室群顶拱开挖围岩稳定问题成为工程进行的关键；并通过三井、四井的不同调压室群布置型式进行多方案研究，选择最优的洞室群布置。所以，通过对调压井地下洞室群进行三维非线性有限元计算，初步分析调压井洞室群的围岩整体稳定性。

2 调压室位置和洞室群方案

2.1调压室布置

地下调压室位置的选择受地下厂房位置，压力管道调保计算成果，以及尾水隧洞不设下游调压室引水道极限长度的控制。考虑地质条件，调压室布置坝址下游15km的下虎跳峡右岸后坡山体内，为地下埋藏调压室。井筒分布高程1719 m～1840m，高约130m，调压室围岩为石炭系（C）大理岩、结晶灰岩，井筒围岩为泥盆系（D3）大理岩、白云质大理岩，岩石强度高，岩体完整性较好，围岩类别属Ⅲ类，岩层产状N5°～10°W，NE∠30°～35°，井筒底面以上山体埋深约660m，井筒外侧山体最小厚度约380m。据厂房区实测最大主应力为26.52 MPa，最大主应力方向为N67°W，近水平，属高地应力区，围岩强度应力比S=2~4，据PD9号平洞实测地温成果，调压井区为低温场，不存在高地温问题；推测地下水位高程低于调压井底板高程。

就目前位置而言，调压室若往上游平移，则会延长引水道。或引起压力管道长度增加，调节保证计算很难通过；或增长尾水管长度，使尾水管增设调压室。因此，目前所选的地下调压室位置是合适的。

2.1调压室洞室群方案

不同井筒数量的调压室洞室群方案布置原则是满足引水发电建筑物总体布置的要求，并尽量在保证建筑安全的前提下缩短洞室群间距。根据以上原则，拟定三井及四井调压室洞室群方案，具体特征参数见下表1，布置简图见图1～图4。

表1 调压室洞室群方案布置特征参数表

引水隧洞 钢管 单洞引用流量 调压井

平均长度 (m) 直径 (m) 平均

长度 (m) 直径（m） （m3/s） 井筒数量(个) 调压井净间距(m) 井筒内径(m) 开挖直径(m) 井筒

高度(m)

三井方案 12456 14.8 339.0 9.4 816.67 3 65 49 53 129.6

四井方案 12091 12.8 353.4 8.4 612.5 4 56.4 41 45 129.6

图1 三井方案平面布置示意图 图2 三井方案剖面图

图3 四井方案平面布置示意图 图4 四井方案剖面图

3 计算条件

（1）工程区域岩体力学模型。对调压室区域地层考虑弹塑性变形，采用理想弹塑性模型。屈服准则选用Mohr-Coulomb准则。

（2）工程区域岩石力学参数。根据工程地质条件和岩石力学试验结果，各类岩石的力学参数见表2。

表2 岩体力学参数表

地层岩性 变形模量

(GPa) 泊松比 容重

(KN/m3) 抗剪断强度

岩体工程地质分类

f’ C’

(MPa)

D3（浅灰、灰白色厚层状白云质大理岩夹灰黑色条带装白云质结晶灰岩） 16～18 0.22 27.50 1.3～1.4 1.6 Ⅱ类

C1（灰白色中厚层大理岩、条带状大理岩加结晶灰岩） 10 0.24 27.0 1.2 1.1 Ⅲ类

（3）计算范围的选取与三维地质模型。各边界距调压井中心均180米；铅直方向，调压井顶部高程以上和底部高程以下均取150米。为便于识别，按从上之下的排列，将调压井编号（1～3/1～4）。计算将调压井简化为圆筒结构分析调压井洞室群的围岩整体稳定性。调压井主要分布于D3 和C1两层岩体中，由于前期设计时岩层分界线不详，故按均质岩体考虑。为计算偏安全取C1岩层的岩体参数进行分析计算。根据实测资料，调压室初始地应力计算时竖向压力系数为1.44，水平压力系数最大为1.1，最小为0.59。

（4）初拟分步开挖步骤。拟定洞室的分步开挖总体上初步按4大层考虑，开挖步骤示意图如图5 所示：

图5 开挖步骤示意图

4 位移成果分析

4.1三井方案位移成果分析

本方案开挖直径为53m，洞室开挖完成后，围岩向临空面方向发生压缩或回弹变形，离开挖面越远，变形越小。总位移最大值为10.29cm，出现在3号调压井边墙中下部。

表3 三井方案周各向位移最大值（cm）

位置 X向最大位移 Y向最大位移 Z向最大位移

正向 负向 正向 负向 正向 负向

整体 7.54 -10.10 3.55 -4.14 9.49 -6.28

1＃调压井周边 6.93 -5.24 2.98 -4.10 9.15 -6.08

2＃调压井周边 4.01 -8.66 3.06 -3.27 8.76 -5.17

3＃调压井周边 7.53 -9.97 3.25 -2.12 9.44 6.28

4.2四井方案位移成果分析

本方案开挖直径为45m，洞室开挖完成后，围岩向临空面方向发生压缩或回弹变形，离开挖面越远，变形越小。整体变形较三井方案略小。总位移最大值为9.67cm，出现在4号调压井边墙中下部。

表4 四井方案周各向位移最大值（cm）

位置 X向最大位移 Y向最大位移 Z向最大位移

正向 负向 正向 负向 正向 负向

整体 7.15 -9.55 2.95 -3.44 8.61 -5.73

1＃调压井周边 5.57 -6.07 1.89 -2.93 7.74 -4.8

2＃调压井周边 6.65 -5.18 2.12 -2.58 8.3 -5.7

3＃调压井周边 4.5 -8.89 2.68 -1.99 8.18 -4.73

4＃调压井周边 6.14 -9.55 2.17 -1.72 8.53 -5.38

四井方案位移分布图见下图6和图7：（坐标系规定：X－平行最大侧压力方向，Y－平行最小侧压力方向，Z－铅直向上。）

图6X1-1剖面X向位移分布图 图7Y1-1剖面Y向位移分布图

5 应力成果分析

5.1 三井方案应力成果

由于开挖引起应力释放，开挖后洞周应力场发生较大的变化。洞周围岩基本处于受压状态，在开挖面上应力降低，但未出现拉应力，第一主应力约在－18～－1.0Mpa之间变化。第三主应力约在－9～－55Mpa之间变化，在洞室的边角点处有一定程度的应力集中现象。

5.2 四井方案应力成果

四井方案洞周围岩应力与三井方案相比在量值和分布上基本相同。开挖后洞周围岩基本处于受压状态，由于开挖引起应力释放，在开挖面上应力降低，但未出现拉应力，第一主应力约在－18～－0.8Mpa之间变化。第三主应力约在－5～－55Mpa之间变化，在洞室的边角点处有一定程度的应力集中现象。应力分布图见图8、图9

图8Ⅰ-Ⅰ剖面第三主应力分布图 图9Ⅰ-Ⅰ剖面第一主应力分布图

6 屈服区分析

6.1 三井方案

根据计算结果，各洞室周围均有一定程度的屈服，且各洞室周围屈服区深度差别不大，大部分区域屈服深度为5～7.5米，局部达到8～9米，洞室之间屈服区均未发生连通。调压井洞室群整体基本稳定。

6.2 四井方案

各洞室周围屈服分布情况与三井方案基本相同，屈服深度较三井方案情况下浅0.5～0.8米。各洞室周围均有一定程度的屈服，且各洞室周围屈服区深度差别不大，大部分区域屈服深度为4～7米，局部达到8～9米。各洞室之间屈服区未发生连通。调压井洞室群整体基本稳定。屈服区分布图见图10、图11。

图10Ⅰ-Ⅰ剖面屈服区分布图 图11 调压井中部高程剖面屈服区分布图

7 有限元分析工程类比

由于本工程属于长大引水隧洞、超大型调压室群布置格局，在建的四川锦屏二级水电站工程亦属于此类电站，故对计算结果进行简单比较，以供参考。对比情况见表5：

表5 工程类比表

项 目 某工程 锦屏二级

调压井规模 开挖直径45米，开挖高度144

米 开挖直径27米，高度141.3米

围岩 （P12-3）浅灰、灰白色薄层～极薄层偶夹浅灰色中厚层大理岩及灰黑色薄层结晶灰岩。为单斜构造，断裂构造不发育，Ⅲ类围岩 微风化T2y5-(2)花斑状大理岩，断层不发育，裂隙较发育。局部陡倾层面裂隙与缓倾角结构面之间组合，会产生小型的不稳定块体,属Ⅱ、Ⅲ1类围岩

上覆岩体厚 井筒底面以上山体埋深660m 上覆岩体厚123～166米

开挖后变形 最大边墙位移为5.136cm，顶

拱最大位移1.817cm 边墙最大位移9.55cm，顶拱最大位移5.73cm

开挖后应力 最大洞周应力约16.92Mpa底部交叉口局部达到38.81Mpa 洞周主压应力约36～45Mpa，边角点应力集中处达55Mpa

屈服区 洞周大部分区域屈服深度为4～7米，局部达到8～9米，洞室之间屈服区未发生连通。 调压井竖井周围出现了1～2米的塑性圈，局部破坏区达到3～5米，洞室之间屈服区未发生连通。

8 屈服区分析

8.1 三井方案

根据计算结果，各洞室周围均有一定程度的屈服，且各洞室周围屈服区深度差别不大，大部分区域屈服深度为5～7.5米，局部达到8～9米，洞室之间屈服区均未发生连通。调压井洞室群整体基本稳定。

8.2 四井方案

各洞室周围屈服分布情况与三井方案基本相同，屈服深度较三井方案情况下浅0.5～0.8米。各洞室周围均有一定程度的屈服，且各洞室周围屈服区深度差别不大，大部分区域屈服深度为4～7米，局部达到8～9米。各洞室之间屈服区未发生连通。调压井洞室群整体基本稳定。屈服区分布图见图10、图11。

图12 Ⅰ-Ⅰ剖面屈服区分布图 图13 调压井中部高程剖面屈服区分布图

9 有限元分析工程类比

由于本工程属于长大引水隧洞、超大型调压室群布置格局，在建的四川锦屏二级水电站工程亦属于此类电站，故对计算结果进行简单比较，以供参考。对比情况见表5：

表5工程类比表

项 目 某工程 锦屏二级

调压井规模 开挖直径45米，开挖高度144米 开挖直径27米，高度141.3米

围岩 （P12-3）浅灰、灰白色薄层～极薄层偶夹浅灰色中厚层大理岩及灰黑色薄层结晶灰岩。为单斜构造，断裂构造不发育，Ⅲ类围岩 微风化T2y5-(2)花斑状大理岩，断层不发育，裂隙较发育。局部陡倾层面裂隙与缓倾角结构面之间组合，会产生小型的不稳定块体,属Ⅱ、Ⅲ1类围岩

上覆岩体厚 井筒底面以上山体埋深约660m 上覆岩体厚123～166米

开挖后变形 最大边墙位移为5.136cm，顶拱最

大位移1.817cm 边墙最大位移9.55cm，顶拱最大位移5.73cm

开挖后应力 最大洞周应力约16.92Mpa，底部交

叉口局部达到38.81Mpa 洞周主压应力约36～45Mpa，边角点应力集中处达55Mpa

屈服区 洞周大部分区域屈服深度为4～7米，局部达到8～9米，洞室之间屈

服区未发生连通。 调压井竖井周围出现了1～2米的塑性圈，局部破坏区达到3～5米，洞室之间屈服区未发生连通。

参考文献

[1]蒋峰,黄笃,廖成刚. 某水电站地下厂房洞室群布置[J]. 水电站设计，2005，21(2)：5-7

[2]刘红燕,张强勇,林波,于秀勇. 双江口水电站地下厂房洞室群稳定性分析[J]. 水利水电工程，2009，31(8)：107-109.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。