向家坝水电站地下厂房缓倾角层状围岩稳定分析

第29卷第7期岩石力学与工程学报Vol.29No.72010年7月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJuly，2010收稿日期：2010–01–15；修回日期：2010–05–24作者简介：樊启祥(1963–)，男，博士，1984年毕业于葛洲坝水电工程学院水利工程专业，现任教授级高级工程师，从事水电工程建设技术管理工作。E-mail：[e-mail]向家坝水电站地下厂房缓倾角层状围岩稳定分析樊启祥1，2，王义锋2(1.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084；2.中国长江三峡集团公司，湖北宜昌443002)摘要：向家坝水电站地下厂房跨度33.4m、高85.2m，为国内最大跨度与高度的地下厂房。缓倾角岩层中大跨度地下洞室群的开挖致使顶拱围岩稳定问题突出，为典型结构面控制型地下岩体工程。采取三维离散单元法与应力位移监测相结合的研究对策，对围岩稳定进行综合分析，实施对穿锚索和系统锚杆的加固对策，并基于监测成果说明厂房顶拱围岩在开挖加固后的稳定性。研究表明，浅至中等埋深结构面控制型围岩稳定问题必须加强工程地质分析，重视岩体的非连续性和各向异性，宜采用非连续介质力学分析方法进行分析，以实施针对性加固措施。关键词：岩石力学；层状围岩；监测；稳定性；三维离散元法中图分类号：TU45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2010)07–1307–07STABILITYANALYSISOFLAYEREDSURROUNDINGROCKMASSOFLARGEUNDERGROUNDPOWERHOUSEOFXIANGJIABAHYDROPOWERSTATIONFANQixiang1，2，WANGYifeng2(1.StateKeyLaboratoryofHydroscienceandEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；2.ChinaThreeGorgesCorporation，Yichang，Hubei443002，China)Abstract：TheundergroundpowerhouseofXiangjiabahydropowerstation(33.4m×85.2m)isthelargestundergroundpowerhouseintheworld.Excavationoflarge-spanundergroundcavernsingentlyinclinedstratumleadstosignificantstabilityproblemsofsurroundingrockmass.Both3Ddistinctelementmethodandstressanddisplacementmonitoringareusedtostudythesurroundingrockmassstability，andtwo-endedanchorandsystematicboltsareusedtoreinforcethesurroundingrockmass.Then，basedonthemonitoringresults，thestabilityofsurroundingrockisanalyzed.Theresearchrevealsthestructure-controlledsurroundingrockstabilityproblemofshallowormiddleburiedcavern，andgreatattentionshouldbepaidtogeologyanalysisandthesurveyofrockmassgeometricfeaturesanddiscontinuity.Itisappropriatetousethediscontinuousmediummechanicsmethod，andthentoimplementthecorrespondingoptimalreinforcementmeasures.Keywords：rockmechanics；layeredrockmass；monitoring；stability；3Ddistinctelementmethod1引言向家坝水电站地下洞室群规模宏大，结构复杂，主厂房跨度为33.4m，高为85.2m，为国内最大跨度与高度的地下厂房。主要洞室的上覆岩层厚度为100～225m，由于其大跨度特征以及自重应力为主的初始应力条件，属浅至中等埋深岩体工程。缓倾角岩层中大跨度地下洞室开挖致使围岩稳定问题突出，为典型结构面控制型岩体工程[1，2]。岩体地下工程围岩稳定问题归结为岩体对开挖释放荷载的响应，即开挖使岩体应力总体表现松弛，由于受岩体特性和开挖结构形式的影响，开挖变形特征可能存在非对称性等差异现象。在一些部位受第29卷第7期樊启祥，等.向家坝水电站地下厂房缓倾角层状围岩稳定分析•1308•其结构面影响，可能改变应力场的相对关系，从而表现出不同的稳定特征和潜在破坏方式[3，4]。向家坝水电站浅埋岩体的结构面效应、自重应力场初始条件等地质因素的作用，在很大程度上决定了岩体的成洞条件和围岩稳定性。缓倾角岩层中大跨度地下洞室开挖对顶拱围岩稳定造成了很大影响，其中岩体所固有的不连续性和各向异性特征[2]成为围岩稳定分析的关键。相应地，设计方案的合理性除了体现工程的常规要求外，还应在最大程度上减弱这种缓倾层面的不良影响；将合理的、有针对性的支护措施作为一种改善手段；同时还应基于监测成果与计算分析成果的一致性来揭示围岩的真实稳定程度。2向家坝水电站地下厂房工程概况2.1工程概况向家坝水电站地下厂房(见图1)采用中部式布置，安装4台750MW机组，主厂房总长255.4m，吊车梁以上宽度33.4m，以下宽度31.0m，高度85.2m。图1向家坝水电站地下洞室群Fig.1SchematicdiagramoftheundergroundpowerhouseofXiangjiabaHydropowerStation2.2地质条件地下厂房区山体雄厚，地形整齐，围岩涉及的地层主要为2-63T亚组，其中主厂房顶拱岩层一般呈厚～巨厚层状，各岩性段的顶部有薄～中厚层状岩石分布，岩体呈微风化至新鲜状。绝大多数为坚硬岩石，岩体完整，II，III类围岩分别占71.4%和19.7%，个别地段受软弱夹层、层面影响，围岩类型较低，为IV，V类岩体。厂区位于立煤湾膝状挠曲的SW翼，地层产状较平缓，岩层倾角为15°～20°，地下厂房的围岩产状较平缓，岩体受地质构造破坏的程度较低，无较大断层发育，主要结构面为软弱夹层、层面和节理裂隙。在厂房洞出露的2级软弱夹层有JC2–2，JC2–3和JC2–4，以视倾角8°～15°沿厂房轴线向NE侧边墙逐渐抬高(见图2)。此外，呈断续分布的3级透镜状泥岩夹层出露在洞室时也会影响围岩稳定。图2大跨度地下厂房及围岩层面特征照片Fig.2Layeredsurroundingrockmassoflarge-spanundergroundpowerhouse洞室区节理裂隙主要有NEE，NWW和NW向3组，其优势产状分别为76°/NW∠58°，286°/NE∠64°和317°/NE∠47°。微风化岩体中节理裂隙较为发育，而新鲜岩体中仅局部偶有分布。地下厂房区实测地应力实测最大主应力值为8.2～12.2MPa，属自重为主的中低量级水平。2.3开挖支护情况右岸地下主厂房洞室开挖于2006年8月开工，主厂房设计分为10层(见图3)开挖，2007年7月初第I层开挖结束，并且在该月末完成了围岩的系统支护。图3考虑节理的地下厂房岩体结构特征及开挖顺序示意图Fig.3Blockdistributionofsurroundingrockmassafteraddingjointnetworkandtheundergroundexcavationsequence由于自重条件下的大跨度层状围岩势必在顶拱部位的形成“梁效应”，从而可能使得顶拱围岩产生较大的不对称型的大变形，因此，工程实际中实施了针对性的对穿锚索。此外，围岩支护以喷锚支护为主，局部加强支护为辅，并与随机支护相结合。支护过程中按照地质围岩分类不同，根据开挖揭露2#尾水洞电缆竖井排沙洞1#尾水洞主变室母线洞主变运输洞进厂交通洞引水洞厂房4#3#2#1#电梯及排烟竖井①⑥⑩第29卷第7期樊启祥，等.向家坝水电站地下厂房缓倾角层状围岩稳定分析•1309•情况进行动态调整，采用了不同的支护参数。总体支护进程为随机支护紧跟开挖面，滞后10～15m实施系统锚杆，然后施工预应力锚索。2.4安全监测为了对顶拱围岩稳定性提供评价指标，地下厂房内共布置了5个监测断面，包括收敛监测和围岩变形监测，四点式位移计取得了较好的监测成果。锚杆应力监测布置7个锚杆应力计监测断面。锚索测力计监测布设4个监测断面。3地下厂房围岩稳定分析对策3.1层状围岩的地质属性向家坝地下厂房区地应力最大主应力与岩石单轴抗压强度的比值范围为0.07～0.20，地应力仍属于中等偏低的范围，因此，岩体对开挖的应力响应仍以地质结构面控制型为主。重视地质结构面对围岩稳定性的影响，考虑结构面的作用是岩石力学分析的一个基本思想[4]，尤其是对于浅至中等埋深的岩体工程，大跨度的洞室开挖会造成很大的应力松弛，因此通过现场地质勘察，将工程岩体的结构面分布规律与力学特性间距直接反映于数值计算中，是合理分析的前提。层状岩体在经历了成岩建造、构造改造、表生演化以后，层面几何特征存在统计意义上的优势性，因此岩体的各向异性特征不可忽略，常用的方法为间接的等效连续方法(ECA)[5～8]和直接离散的分析方法[8]。3.2等效连续分析等效连续方法是将本质上为非连续、各向异性岩体通过等效连续途径，应用各向异性本构及等效宏观岩体力学参数来间接反映其属性：(126)iijjSij，，，，(1)312112332233233112100010001000[]100101EEEEEESGGG对称(2)式中：E1，E2，E3为弹性模量；32，31，21为泊松比；G23，G31，G12为剪切模量。以上参数均为正轴复合工程常数。对于含一组结构面的层状岩体可以应用简化的叠加原理来估算宏观岩体力学参数[8]，如式(1)，(2)列出的正交各向异性岩体的本构关系和弹性系数矩阵，其中，由于层状岩体的特殊性，其显然具有横观各向同性的性质[9]。进一步需要对式(1)，(2)所示的柔度张量进行估算，i方向的岩体弹性模量iE[9]为1rn11(123)iiiEiEKs，，(3)式中：rE为岩石的弹性模量，is为i方向节理的平均间距，niK为结构面的法向刚度。同时，存在：1rss111(123)ijiijjGijGKsKs，，，(4)式中：ijG为i，j方向的岩体切向模量；rG为岩石的切向模量；js为j方向节理的平均间距；siK，sjK分别为结构面i，j方向的切向刚度。对于复杂结构岩体，经验方法如现场量测岩体不同方向的块度，或者基于解析方法的叠加原理都有很大的局限性，若要真实地考虑节理的交叉效应或非线性特性，数值分析方法特别是三维离散单元法数值估算成为了一种等效估算的有效途径。3.3三维离散单元法分析三维离散单元法除了可以作为岩体力学等效性质估算的桥梁外，实际上更可以进行直接的非连续力学模拟。此时，岩体具有更接近于客观实际的复杂结构，并且所采用的本构关系也异常简单。其中的关键只在于节理网络的生成。图3为采用3DEC直接法生成的含层面与节理的离散元模型[10，11]，所模拟的节理严格服从现场地质调查获得的统计分布特征。由于软弱夹层性状变化不大，连通率好，成为了最主要的控制性结构面。4厂房顶拱围岩稳定的数值模拟4.1厂房顶拱开挖支护情况向家坝右