大型地下水電站廠房洞群三維地質力學模型試驗

1、大型地下水電站廠房洞群三維地質力學模型試驗             摘要本文對擬建的超大型水電站地下廠房洞室群三維地質力學模型試驗作了綜合介紹，包括采用離散化多主應力面加載和控制系統(tǒng)，解決了復雜三維初始應力場的模擬難題；采用機械臂和步進微型掘進機技術、微型高精度位移量測技術、聲波測試技術、光纖測量及內窺攝影技術等，解決了三維試驗中的隱蔽開挖模擬及內部量測等關鍵技術問題。試驗結果表明擬建水電站地下廠房洞室群的總體布置、洞型設計、洞室間距是合理的，推薦的支護方案對洞室整體性的加強

2、有明顯的作用，對設計方案起到有力的支持和驗證作用。 關鍵詞大型水電站 地下廠房洞室群 三維地質力學模型試驗 研究巖體穩(wěn)定問題通常采用的方法有工程類比法、地質結構分析法、數值模擬仿真分析法和地質力學物理模型試驗法等1，2。對于中小型工程，一般只采用前幾種方法進行研究，但對于大型或超大型工程，地質力學物理模型試驗則是必要的。模型試驗尤其是三維模型試驗與數值方法相比有它的弱點，如尺寸效應、試驗難度大、費用高。然而，物理模型則由于是真實的物理實體，在基本滿足相似原理的條件下，則更能真實地反映地質構造和工程結構的空間關系，更準確地模擬施工過程和影響。試驗結果能給人以更直觀的感覺，使人更容易從全局上把握巖

3、體工程整體力學特征、變形趨勢和穩(wěn)定性特點，以及各洞室或結構之間的相互關系，從而做出相應的判斷。其次，也可以通過物理模型試驗，對各種數值分析結果進行一定程度上的驗證。與研究壩體、壩基和壩肩及邊坡穩(wěn)定性的三維地質力學模型試驗36相比，地下洞室群的巖石力學物理模型試驗則有很大的差距。據文獻檢索，只有少數幾個平面模型試驗711和小型三維試驗12。這些試驗均未模擬洞室的施工過程。其原因主要是模擬地下洞室施工過程的三維模型試驗難度太大，如三維地應力場的模擬原理和技術、洞室群開挖尤其是內部洞室隱蔽開挖技術的實現(xiàn)、內部物理量測量等。本文作者提出并研制了離散化多主應力面加載和控制系統(tǒng)，成功解決了復雜三維初始應力

4、場模擬的難題；采用機械臂和步進微型掘進機技術、微型高精度位移量測技術、聲波測試技術、光纖測量及內窺攝影技術等，解決了隱蔽開挖模擬及內部量測等關鍵問題，完成了水電站復雜洞室群模型試驗。這一試驗成果可應用于今后我國大西南地區(qū)的其它超大型地下水電站的研究。1 工程簡介溪洛渡水電站位于四川和云南視壤的金沙江峽谷中13。電站總裝機容量12600MW，共計18臺700MW的水輪發(fā)電機組。該工程地質條件復雜，地下洞室群布置復雜、縱橫交錯，尤其是左岸地下廠房軸線與最大主應力呈較大角度相交，對廠房洞室穩(wěn)定不利，而且廠房又位于高地震烈度區(qū)(高達度)，如此超大規(guī)模的地下洞室群在施工期和運行過程長期安全穩(wěn)定問題，都是

5、前所未遇的。電站廠房采用全地下式，分左、右岸地下廠房，各布置9臺機組。左岸地下廠房布置在大壩上游山體內，總裝機容量為6300MW.廠房軸線為N24°W，三大洞室平行。圖1 左岸地下廠房洞室群布置方案左岸廠房頂拱圍巖由P24、P25、P26層玄武巖組成。巖體新鮮較完整，無大的斷層切割，層間錯動帶一般不發(fā)育。層內錯動帶以P26下部及P24、P25層內相對較發(fā)育，錯動帶一般寬510cm，擠壓緊密，為巖塊巖屑型。裂隙以陡裂和緩裂為主，中傾角裂隙一般不發(fā)育。2 模型相似條件設計經過與設計單位協(xié)商，確定模型的幾何比尺為1/100，材料容重比尺為1.之所以這樣確定，主要是考慮到開挖模擬的可操作性，

6、以及相似物理量之間換算關系的簡化。根據試驗相似理論和上述幾何比尺，進行了如下的模型相似條件設計：用下標p代表原型，下標m代表模型，K代表相似比尺，L為長度，u為位稱，E為彈性模量，G為剪切模量，為容重，為應力，o為初始地應力，為應變，為泊松比，為摩擦角，C為粘聚力，Rc為抗壓強度，Rt為抗拉強度。如設實際巖體的容重為p，模型材料的容重為m，則容重相似比尺為與應力有相同量綱的物理量均有與應力相同的相似比尺，即材料彈性模量、剪切模量、抗壓強度、抗拉強度、粘聚力，初始地應力和面力荷載的相似比尺均為100.3 試驗要點及關鍵技術本試驗研究對象為左岸地下廠房洞室群，包括主廠房、主變室、尾水調壓室、母線道

7、和尾水管。3.1 模擬范圍 地下廠房順水流方向的上下游各取三大洞室最大開挖跨度的11.5倍長度，實際各約為1.27倍，總長度為620m；沿高程方向的下方取到洞室高度的11.5倍，實際取為1.45倍1.85倍，達到海拔200m；上方取到地面，實際模型作到海拔670m，其上部作為荷載加在模型頂面；沿主廠房的縱軸線方向取3個機組段長度(自5號機組中心線至8號機組中心線)，為102m.因為模型幾何比尺為1/100，所以巖體模型尺寸為長×高×寬6.20m×4.70m×1.02m.3.2 地形及地質條件模擬 對模型試驗范圍內的地形、地貌、地質材料和三維地質構造如層間

8、和層內錯動帶進行了模擬，模型基本滿足幾何、物理、力學相似條件。3.3 初始地應力場模擬 三維原始地應力的模擬是本試驗的關鍵和難點。經過研究、論證和試驗，本試驗中首次提出并研制了“離散化多主應力面加載及控制系統(tǒng)”，成功地模擬了三維地應力場，保證了試驗的初始條件。離散型三維多主應力面加載系統(tǒng)，是在地質力學模型仿真試驗中，首次提出使用的一種能近似模擬復雜三維空間地應力場的加載系統(tǒng)。它的基本思路來源于有限元、邊界元、離散元等將研究域離散化進行數值分析的原理，把需要模擬的復雜變化地應力分布場，離散為有限多個微小的單元應力場，并認為此單元應力場為一個等效的均勻應力場。用一組垂直于該單元應力場主應力矢量的微

9、小主應力面，代替原來的斜截面，并在這一組主應力面上按照等效主應力的大小施加法向力，就達到了模擬這一單元應力場的目的(如圖2).對各個離散的單元應力場均進行這樣的操作，就可以完成整個試驗域復雜變化的應力場的模擬。圖2 離散化多主應力面加載原理示意這一加載系統(tǒng)由高壓氣囊、反推力板、限位千斤頂、垂直立柱、封閉式鋼結構環(huán)梁、支撐鋼架和空氣壓縮機組成。此外還有壓力監(jiān)測和報警輔助系統(tǒng)，以保證試驗期間的壓力穩(wěn)定。3.4 開挖過程模擬 按照數值計算優(yōu)選的開挖步序(如圖3所示)，對試驗范圍內地下洞室群的隱蔽開挖進行了模擬。本試驗中隱蔽性開挖的洞室包括尾水管和母線廊道，尾水管的隱蔽開挖長度為125m，而且為漸變的

10、城門洞形斷面，母線道斷面也為城門洞形，但是靠近主變室一側13m一段斷面加大，造成母線道斷面突變。這些都給開挖模擬帶來極大困難。隱蔽開挖無法采用一般的手工鉆進方法，需要設計專門的鉆鑿機具。經過反復研究試驗，開發(fā)出隱蔽開挖機器臂和微型步進式掘進機，以及與之配合使用的隱蔽洞室內窺系統(tǒng)，成功解決了這一技術難題。如圖4所示。圖3 地下廠房洞室群開挖分期設計3.5 支護方案模擬 按照數值計算優(yōu)選的支護方案，對錨固支護(包括三大洞室的噴混凝土、錨索)進行了模擬。按照設計支護方案，錨索按實際位置模擬并施加預應力。系統(tǒng)錨桿與噴混凝土聯(lián)合模擬為掛金屬絲網涂漿。錨索模擬材料采用金屬鋁線或細銅絲束，用建筑膠漿固結，以

11、螺旋加載方式施加預應力。3.6 施工模擬過程中的多種方式洞室內部收斂變形及破壞形態(tài)量測 在主廠房、主變室、尾調室三個主要洞室中，采用預埋多點位移計方式進行了內部收斂以及洞周圍巖深度變形量測；采用光導纖維進行了內部變形的量測；采用超聲波測量方法進行了洞周圍巖屈服松動區(qū)的量測；采用內部攝影方式進行了內部破壞形態(tài)的觀測。3.7 內部應力場分布量測 在主廠房、主變室、尾調室圍巖中的適當位置，預埋三向應變計、應變花，進行了應力場分布量測。在重要位置，預埋光纖傳感器，與應變片測量相比較，測量應力場分布。圖4 隱蔽洞室開挖微型步進TBM示意     

12、0;   4 試驗過程和結果試驗自2000年5月開始各項前期工作，包括場地準備、試驗臺設計和施工、模型材料設計和試驗、模型制作和傳感器埋設、地應力場生成和監(jiān)控系統(tǒng)研制、隱蔽洞室開挖系統(tǒng)研制和試運行、測量儀器的研制和準備等。2001年7月15日正式實施洞室開挖模擬，量測系統(tǒng)進行同步量測，采集數據，至2001年8月18日完成洞室群開挖。試驗得出的洞群圍巖變形、應力應變、屈服區(qū)分布等情況如下。4.1 位移 主廠房頂拱最大下沉為37.5mm，主變室頂拱下沉為23mm，尾水調壓室頂拱為34mm.各個洞室頂拱的變形隨開挖量的增加均以下沉為主，開挖后期伴隨有少量的上抬。這與同時進行的數值

13、計算相比頂拱位移偏大一些，這是由于模型試驗中準確地模擬了層內錯動帶的影響，而計算中則有所簡化。尾水調壓室邊墻比主廠房邊墻高20多米，初估最大水平位移應該更大些，但尾水調壓室中間隔墻起到了限制變形的作用，從而減少了水平位移值。主變室與尾水調壓室之間巖柱的上下游方向水平尺寸有所增大。 圖5 地下廠房洞周圍巖位移分布而主廠房與主變室之間的巖柱在上下游方向則有所壓縮，是由于母線道對這部分巖柱削弱較多引起的。試驗中所揭示的各個方向的位移量均不大，分布合理。除三大洞室頂拱位移比計算值略大之外，其它與計算值都很接近，洞周沒有發(fā)現(xiàn)明顯的開裂或位移突變。圖5給出了洞周圍巖位移分布。4.2 應力 主廠房上游拱肩和

14、拱腳處、尾水調壓室上游拱肩和拱腳處均有拉應力出現(xiàn)。尾水調壓室下游邊墻5m范圍內的巖體大部分存在拉應力，10m之外則呈現(xiàn)為壓應力。隨開挖的進行，洞室交叉部位產生應力集中，凡是壓應力的則壓應變值為原來的1.52.2倍。產生拉應力的部位則給出了很大的拉應變值，明顯不大合理，可能是粘貼應變片的塊體發(fā)生破裂造成的。但是可以從中判斷是出現(xiàn)了拉應力。拉、壓應力分布范圍與計算結果接近。光纖傳感器量測的結果比較有規(guī)律，隨尾水調壓室高邊墻的逐漸形成，邊墻表面巖體應力松馳，壓應力降低甚至產生拉應力，而壓應力分布有向深部巖體傳遞的趨勢。4.3 超聲波測量 試驗中采用超聲波測速與位移沿巖體深度分布規(guī)律相結合的方法判斷屈

15、服松動區(qū)。洞周巖體波速最低處為尾水調壓室的底部和頂拱，波速比未開挖前降低了40%50%.三大洞室頂拱的巖體波速，主變室頂拱最高，達9001000m/s，主廠房頂拱次之，為800900m/s，尾調室頂拱最低，為400500m/s.與地質剖面相比較可以看出，這一結果恰恰和這些洞室所在地層及地質構造相吻合。根據聲波測量和位移測量結果的綜合比較和分析，得到各洞室周圍屈服區(qū)的范圍(圖6). 圖6 地下廠房洞周屈服區(qū)分布4.4 錨固支護系統(tǒng) 根據地下工程圍巖穩(wěn)定性分析的經驗，洞室圍巖越穩(wěn)定，圍巖的整體性越好(早期噴錨支護可以增加這種整體性)，則在后期開挖過程中，洞室上抬的趨勢越明顯。XA-22支護方案在主

16、廠房頂拱埋設的兩排錨索，穿過了層內錯動帶，增加了頂拱的整體性，是很必要的。雖然本試驗中尚不能定量地比較這種錨固的作用，但定性上已經可以說明模擬的錨固系統(tǒng)對增加洞室圍巖的完整性和整體性，起了明顯的作用，這是數值計算中沒有反映出來的。通過對模型錨索應力的測量，反映出對目前的開挖方案，錨索應力有明顯增加。因為尾調室是上下先開挖然后中間再挖通，高邊墻有一個突然形成的過程。雖然這一情況因為中間隔墻的存在而減弱，但對離隔墻遠一些的部位仍有一定的沖擊作用?？紤]到這一點，尾調室上下游邊墻錨索的預應力施加應有所控制，而隔墻的加固應適當提前。5 結論(1)本試驗是首次大規(guī)模三維仿真模擬地下洞室群的施工過程。它成功模擬了高容重巖體材料和巖體構造，容重比尺1比1；研制了離散化多主應力面加載系統(tǒng)，使模擬復雜三維初始地應力場得以實現(xiàn)；研制了用機械臂和步進微型掘進機，仿真模擬了施工過程；研制微型多點位移計，采用聲波測試、內窺技術等多種測量手段進行了內部物理量的測量。(2)試驗結果驗證了在廠區(qū)特有的地形地貌、地質構造和地應力條件下，該水電站地下廠房洞室群的總