龍灘水電站地下廠房主要洞室圍巖錨噴支護設計

1、文章編號:055929342(20031020044203龍灘水電站地下廠房主要洞室圍巖錨噴支護設計羅俊軍,張孝松(中南勘測設計研究院,湖南長沙410014關鍵詞:錨噴支護;圍巖;陡傾層狀巖體;地下廠房;龍灘水電站摘要:龍灘水電站地下廠房洞室群支護采取工程類比、理論計算及現(xiàn)場監(jiān)控的多種方法進行設計。針對中陡傾角層狀巖體上、下游邊墻的變形特征不同、潛在不穩(wěn)定體出現(xiàn)部位的區(qū)別,提出了上、下游邊墻預應力錨索重點加強部位有所區(qū)別的支護設計方案。Design of the shotcrete support for the underground pow erhouse of Longtan H ydr

2、opow er StationLUO Jun2jun,ZH ANG X iao2s ong(Mid2s outh Investigation and Design Institute for Hydroelectric Projects,Changsha Hunan410014 K ey Words:shotcrete support,surrounding rocks,steep dip stratified rock masses,underground powerhouse,Longtan Hydropow2 er S tationAbstract:The methods such as

3、 project analogue,theoretical calculation,and on2the2spot m onitoring have been adopted in the sup2 port design of the surrounding rock masses of the underground powerhouse of Longtan Hydropower S tation1The different pre2 stressed anchorage support schemes for different key positions in the upstrea

4、m and downstream side2walls have been put forward,in accordance with the conditions that the stratified surrounding rocks with medium and steep dip angles,different deformation charac2 teristics,and the locations of different potential unstable bodies1中圖分類號:T V223134(267文獻標示碼:B1地下廠房引水發(fā)電洞室群布置及地質(zhì)條件龍灘水

5、電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置在壩址左岸。其中,引水隧洞、發(fā)電主廠房、母線洞、主變洞、尾水調(diào)壓井等洞室群布置在左岸山體內(nèi),發(fā)電主廠房洞室右端距河岸約160m,上覆巖體厚度120240m。主廠房、主變洞和尾水調(diào)壓井三大洞室依次平行布置,主廠房、主變洞及尾水調(diào)壓井之間巖墻厚度分別為43m, 27146m。主廠房上部(高程206m以上開挖尺寸39815m×2819m×5517m(長×寬×高、以下同,巖錨梁以上開挖跨度3017m,主廠房拱頂高程26117m,廠房最大開挖高度為7614m。主變洞開挖基本尺寸為40010m×1918m×2017m,主變洞拱

6、頂高程25319m。尾水調(diào)壓井采用“三機一井”的長廊式調(diào)壓井,共3個,1號尾水調(diào)壓井開挖尺寸為6813m×20105m×84131m,2號(3號尾水調(diào)壓井開挖尺寸為7617m (95185m×22173m×63135m,調(diào)壓井拱頂高程均為27217 m,1號、2號尾水井間巖柱厚61m,2號、3號尾水井間巖柱厚2614m。主廠房、主變室和尾水調(diào)壓井布置區(qū)是壩區(qū)地質(zhì)條件相對較好的地段之一。三大主洞室置于中陡傾角層狀結(jié)構(gòu)的、類圍巖、局部類圍巖內(nèi)。主要巖性為砂巖、粉砂巖、泥板巖夾少量灰?guī)r。廠區(qū)地層為三疊系中統(tǒng)板納組(T2b,三大洞室穿越的T182b層T412b層

7、多為中厚層互層狀軟硬相間的層狀結(jié)構(gòu)巖體,巖層為單斜構(gòu)造并傾向廠房下游側(cè),巖層產(chǎn)狀為345°350°/NE55°62°。主洞室布置區(qū)圍巖強度較高,砂巖飽和抗壓強度為130MPa,泥板巖為4080MPa;變形模量為1320G Pa。水文地質(zhì)條件較簡單,多為裂隙水,表現(xiàn)為沿斷層、層間錯動(層面節(jié)理或結(jié)構(gòu)面交會處滲(滴水,巖體透水性較小。選定的廠房軸線方向為N50°W,與巖層走向夾角35° 40°。F1斷層從主廠房安裝間斜穿,與廠房軸線呈30°35°夾角。洞室布置區(qū)內(nèi)對洞室圍巖影響較大的主要是層間錯動或?qū)娱g斷層,

8、以及F1、F56、F5621、F7、F13等斷層。層面和層間錯收高日期:2003209222作者簡介:羅俊軍(1965,男,湖南瀘溪人,高級工程師,主要從事水電站樞紐布置及輸水發(fā)電系統(tǒng)設計;張孝松(1964,男,湖南安鄉(xiāng)人,高級工程師,主要從事水電工程水工結(jié)構(gòu)設計144水力發(fā)電2003年第10期動的發(fā)育及中陡的巖層傾角,對主廠房和調(diào)壓井的上下游高邊墻穩(wěn)定不利,表現(xiàn)為層狀巖體在上游邊墻順層剪切滑移,在下游邊墻傾倒蠕變的形態(tài)。地下廠房布置區(qū)實測地應力的最大主應力平均值為12 MPa,方向為N20°80°W,屬中等量級以水平應力為主的構(gòu)造應力場。選定廠房軸線與地應力最大主應力方向

9、夾角30°左右,垂直邊墻方向的水平應力為5181015MPa,垂直主廠房上下游邊墻方向的側(cè)壓力系數(shù)為115119。2主要洞室的支護設計及參數(shù)綜合選擇211主要支護設計方法龍灘地下洞室支護設計以“利用圍巖為承載主體,充分發(fā)揮圍巖的自承作用”為設計準則,確定了洞室以錨噴支護為主,并遵循新奧法理論,采用動態(tài)化監(jiān)控、信息化設計。錨噴支護參數(shù)設計以工程類比法為主,采用該法初步選擇支護參數(shù);采用極限平衡理論計算法進行局部穩(wěn)定和支護承載力驗算,調(diào)整支護參數(shù);采用有限元計算法評價支護整體加固效果,提出加強支護的重點部位;堅持現(xiàn)場監(jiān)控法,及時完善支護參數(shù)。21111工程類比法工程類比法采用了直接對比法

10、和間接類比法。直接對比法依據(jù)收集已建和在建國內(nèi)外規(guī)模相近工程的錨噴支護參數(shù)以資對比。間接類比法包括按規(guī)程規(guī)范依圍巖類別確定支護參數(shù)法、Q系統(tǒng)分類推薦參數(shù)法和錨桿長度與洞室跨度、高度關系的統(tǒng)計分析法。其中,龍灘引水洞、尾水洞、交通洞和通風洞等尺寸相對較小,受三大主洞室及洞室間開挖的影響也小一些,可按規(guī)程規(guī)范確定錨噴支護參數(shù);主廠房、調(diào)壓井洞室跨度大、邊墻高,依據(jù)巖體綜合質(zhì)量指標Q值和開挖當量尺寸計算圍巖壓力,查表選擇支護分類,提出初步支護參數(shù)。21112理論計算法(1圍巖塑性松弛區(qū)極限平衡分析。洞室開挖后圍巖塑性松弛區(qū)內(nèi)的山巖壓力由圍巖的形變壓力和極限平衡圈內(nèi)圍巖自重形成的松動壓力構(gòu)成,需要由錨

11、噴支護提供足夠的支護抗力維持其平衡。龍灘地應力場為水平構(gòu)造應力場,側(cè)壓系數(shù)大于1,剪切楔形滑移體在洞室頂、底部出現(xiàn),松動壓力在頂拱為塑性圈內(nèi)的自重壓力。設計時采用解極值辦法計算最小山巖壓力和塑性松弛區(qū)的深度。(2塊體極限平衡分析。塊體穩(wěn)定計算表明:由三組隨機節(jié)理構(gòu)成的節(jié)理塊體在洞周出現(xiàn)的幾率最大,出現(xiàn)頻率約35個/100m2,規(guī)模普遍較小,塊體體積小于117m3,采取噴混凝土支護應能維持其穩(wěn)定。由斷層或?qū)娱g錯動面和少數(shù)延伸較長的緩傾角節(jié)理或裂隙性錯動面構(gòu)成的楔體出現(xiàn)的隨機性較大,在每條斷層與洞壁交匯處都有可能發(fā)生,該類楔體在洞軸線上沿洞頂或洞壁發(fā)生的頻率約3050m一個,節(jié)理長度為5m時,最大

12、楔體高度為319m,山巖壓力01010126MPa,確定的系統(tǒng)支護錨桿參數(shù)應能維持其穩(wěn)定要求。由三條斷層或兩條斷層和層間錯動(層面構(gòu)成的特定楔體,多出現(xiàn)在F1斷層兩側(cè),對于大的特定楔體,采用錨桿和預應力錨索局部加強支護。(3有限元計算分析。由于龍灘水電站地下廠房系統(tǒng)經(jīng)歷了多次布置調(diào)整和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計,各階段都進行了有限元計算分析,計算分析結(jié)論宏觀上基本一致。在最終布置方案的大三維有限元計算中,模擬錨桿、錨索和施工投標批準的施工開挖順序,考慮主要斷層和模擬陡傾角層面,分別采用Marc 程序、F LAC3D有限差分法和三維斷裂損傷有限元法等進行計算。計算結(jié)果表明,與水平層狀巖層中的洞室開挖相比較,位

13、于陡傾角層狀巖體中的龍灘水電站地下洞室群圍巖的變形具有明顯的非對稱特征,圍巖在開挖過程中明顯沿層面錯動。主洞室上下游邊墻的變形機理不同,上游側(cè)邊墻的巖體在沿層面滑動的同時,在垂直層面的方向上略有張開;下游側(cè)邊墻的巖體則在向洞內(nèi)傾倒的同時順層上移。變形量大小及最大值出現(xiàn)的部位也不一致,三種計算方法的頂拱下沉變位、邊墻水平變位列于表1。圍巖的最大壓應力為3415MPa,發(fā)生在調(diào)壓井下部的尾水管附近。計算塑性區(qū)范圍較1994年計算結(jié)果有較大的改善。F法計算結(jié)果表明:支護后洞室的塑性區(qū),在三大洞室頂拱部位基本控制在12m內(nèi),主廠房上游邊墻的塑性區(qū)小于下游邊墻,下游邊墻最大深度為812m,主廠房和主變洞

14、之間的巖體穩(wěn)定性相對較好,兩者之間沒有塑性貫通區(qū)域。在主變洞與調(diào)壓井間受斷層控制的區(qū)域形成局部的(厚度6m左右塑性連通區(qū)域,而在沒有斷層控制的區(qū)域,巖體中間還將保留一段彈性巖體。調(diào)壓井上下游邊墻塑性區(qū)最大,為10m深。支護錨桿應力主廠房最大為22716 MPa,調(diào)壓井最大為23916MPa。表1三維計算主洞室的最大變位mm計算方法主廠房調(diào)壓井頂拱上游邊墻下游邊墻頂拱上游邊墻下游邊墻M arc法211148166814181437116112F LAC3D法261566175313321262136713斷裂損傷有限元法12115815601917125914771921113現(xiàn)場監(jiān)控法龍灘地下

15、巖體構(gòu)造復雜,洞室的跨度、高度、與相鄰洞室關系、交叉洞室位置等都不相同,加之開挖爆破方式的變化等因素,使得支護設計必須在已實施支護的基礎上,及時根據(jù)監(jiān)測反饋成果分析應力和變位情況,評估支護參數(shù),修改完善支護設計。212支護參數(shù)綜合選擇21211錨噴參數(shù)選擇基本原則錨桿直徑的選擇應充分發(fā)揮其材料特性,使錨桿應力在具備一定安全度的情況下盡量接近其抗拉強度。錨桿長度應大于松動區(qū)厚度,且應有一定貯備,但不宜超過塑性區(qū)深度,一般取塑性區(qū)深度的017倍。系統(tǒng)錨桿在、類圍巖中采用間、排距115m,在類圍巖中及需要加強支護的部位,間、排距可增密到112110m。噴混凝土厚度一般取洞室開挖跨度的1/1001/1

16、20,大型洞室噴混凝土厚度取150200mm。54羅俊軍,等:龍灘水電站地下廠房主要洞室圍巖錨噴支護設計21212支護參數(shù)綜合選擇在上述設計方法和參數(shù)選擇原則指導下,結(jié)合龍灘三大洞室圍巖為典型中陡傾角層狀巖體、上游邊墻及左端墻巖體順層剪切滑移變形、下游邊墻及右端墻巖體傾倒蠕變等具體情況;考慮噴射混凝土根據(jù)不同部位采用鋼纖維混凝土、聚丙烯微纖維混凝土或素混凝土,洞室交叉部位要求超前鎖口支護等具體措施,以及錨索施工對地下洞室施工進度影響等因素,龍灘水電站主要洞室選擇的錨噴支護綜合參數(shù)見表2。對特定的大塊體,在開挖過程中及時判定,在通過穩(wěn)定計算分析后,用錨索錨固不穩(wěn)定的塊體。如主廠房上游邊墻F1、F

17、56、F5621斷層與層面和復合緩傾角節(jié)理組合楔體體積約為730 3000m3,楔體高1016m,考慮吊車梁荷載不利影響,計及部分結(jié)構(gòu)面的c、值,采用預應力錨索和預應力長錨桿進行穩(wěn)定錨固。綜上分析考慮,提出龍灘水電站三大洞室施工詳圖支護參數(shù)見表2。3施工過程中支護設計參數(shù)的動態(tài)調(diào)整施工過程中的支護設計,重點強調(diào)動態(tài)監(jiān)控。如龍灘主廠房第二層開挖過程中和第三層開挖初期,曾出現(xiàn)下游拱角附近邊墻多處順層開裂(多系淺層開裂及主廠房樁號H L 0+00+50段下游邊墻拱腳段部分錨桿應力超過設計值的現(xiàn)象,且此兩種現(xiàn)象多出現(xiàn)在泥板巖與砂巖互層巖體內(nèi)下游邊墻的拱腳段。經(jīng)分析,該段巖性軟硬相間,在頂拱開挖后,由于

18、受應力集中、圍巖松弛和爆破振動等多重影響,下游邊墻向臨空面產(chǎn)生傾倒變形,又因為層面光滑,抗剪強度較低,層間產(chǎn)生剪切變形,導致互層巖體接觸面開裂,此時若錨表2三大洞室支護參數(shù)支護部位圍巖分類支護參數(shù)主廠房頂拱錨桿<28/<32115m,L=6m/8m,交錯布置;噴鋼釬維混凝土厚200mm。錨桿<28/<32115m,L=6m/8m,交錯布置,其中長錨桿為預應力錨桿;噴鋼釬維混凝土厚200mm。錨桿<28/<32115m×112m,L=6m/9135m,交錯布置,其中長錨桿為預應力錨桿;噴鋼釬維混凝土厚200mm。上游邊墻高程221170m以上、錨桿&

19、lt;28/<32115m(112m,類圍巖,L=6m/915m,交錯布置,其中長錨桿為預應力錨桿,另設5排L=20m、間排距415m×6/415m的預應力錨索與錨桿交錯布置,噴鋼釬維混凝土厚200mm。下游邊墻高程221170m以上、錨桿<28/<32115m×115m,L=6m/915m,交錯布置,其中類圍巖長錨桿為預應力錨桿,另下游邊墻中上部設3排L=20m、間排距415m/6×6/415m的預應力錨索與錨桿交錯布置,噴鋼釬維混凝土厚200mm。上游邊墻下游邊墻高程221170m以下、上游邊墻:錨桿<28/<32115m,L=5

20、15m/8m,交錯布置,噴聚丙烯微纖維混凝土厚200mm。下游邊墻:錨桿<28115m,L=515m,方形布置,噴聚丙烯微纖維混凝土厚200mm。主變洞頂拱、錨桿<25/28115m,L=5m/7m,交錯布置;噴鋼纖維混凝土厚150mm。上游邊墻、錨桿<28115m,L=7m,矩形布置;掛<6250×250鋼筋網(wǎng),噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。下游邊墻、錨桿<25/<28115m,L=415m/8m,交錯布置;與3個尾水調(diào)壓井上游邊墻間用L=32m、間排距3m×415m共4排預應力錨索對穿,掛<6250×250鋼筋網(wǎng),

21、噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。尾水調(diào)壓井頂拱、錨桿<28/<32115m,L=6m/8m,交錯布置;掛<8150×150鋼筋網(wǎng),噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。上游邊墻高程250150m以上、錨桿<28/<32115m,L=6m/8m,交錯布置;3個尾水調(diào)壓井上游邊墻與主變洞下游邊墻間用L=32m、間排距3m×415m共4排預應力錨索對穿;掛<8150×150鋼筋網(wǎng);噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。高程250150230m、錨桿<32115m,L=9m,噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。高程230m以下、錨桿<

22、;32115m,L=8m,預應力端頭錨固錨索L=20m、間排距415m×415m共5排(1號井、4排(2號、3號井,噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。下游邊墻高程250150m以上、錨桿<28/<32115m,L=6m/915m,交錯布置,其中長錨桿為預應力錨桿;掛<8150×150鋼筋網(wǎng),噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。高程250150m以下、錨桿<32115m,L=8m,與預應力端頭錨固錨索L=25/20m,間排距415m×6m,共6排交錯布置;掛<8150×150鋼筋網(wǎng),噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。端墻、隔墻高

23、程250150m以上、錨桿<28/<32115m,L=6m/915m,交錯布置,其中L=915m錨桿為預應力錨桿;噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。高程250150m以下、錨桿<32115m,L=8m(715m,與預應力錨索L=20m(、井對穿錨索L=27m、9排;其它左端墻僅中下部設置4排、右端墻僅中上部設置4排、間排距均415m×415m交錯布置,噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。(下轉(zhuǎn)第68頁圖1導流洞吊模及多卡懸臂模板示意別運至洞內(nèi)ER0+802和ER0+030樁號進行安裝、調(diào)試。為防止臺車上部變形張開,要用型鋼對臺車進行再加固處理;同時在混凝土澆筑過程中,

24、要加強觀察,發(fā)現(xiàn)有張開變形現(xiàn)象時,必須立即采取相應措施進行處理。鋼筋幫扎前用棉紗適量地涂抹脫模劑,以易脫模和不污染表面為標準。(2澆筑速度。為保證混凝土的振搗質(zhì)量,控制溫度上升速度,澆筑要分層進行,層厚不大于40cm,上升速度不大于017m/h。兩側(cè)邊墻部位澆筑時,要保證兩側(cè)均勻上升。(3鋼筋綁扎。先用手風鉆鉆50cm深的插筋孔,再組立架立鋼筋;經(jīng)測量檢查合格后再幫扎結(jié)構(gòu)鋼筋。彎曲鋼筋在加工廠加工,水平分布鋼筋在現(xiàn)場加工。成形的鋼筋運至施工現(xiàn)場后,人工按施工圖紙和技術規(guī)范要求綁扎和焊接。鋼筋表面應潔凈無損傷,在使用前應清除油漆污染和鐵銹等。鋼筋綁扎完后,由質(zhì)檢工程師進行檢查,合格后申請監(jiān)理工程師驗收。(4止水安裝。嚴格按施工圖紙規(guī)定的型式、尺寸、位置和材料品種安裝止水設施,安裝好的止水片應加以固定和保護,混凝土澆筑過程中,在止水片附近應由人工用鋼釬搗實混凝土,避免損傷止水片。損傷的止水片,必須修補或更換。(5倉面驗收。倉內(nèi)所有項目完成并經(jīng)自檢合格后,將驗收資料提交監(jiān)理工程師驗收。監(jiān)理工程師簽發(fā)開倉證后開倉澆筑混凝土。(6混凝土澆筑?；炷劣?m3混凝土攪拌運輸車從拌和站運至施工現(xiàn)場,泵送入倉。利用預留的澆筑窗口采用插入式振搗器振搗,并隨澆筑的上升將澆筑窗口封閉,然后啟動附著式振動進行表面振搗。不合格的混凝土嚴禁入倉,嚴禁向倉內(nèi)加水。如發(fā)現(xiàn)混凝土和易