大型地下水電站廠房洞群三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)

1、大型地下水電站廠房洞群三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)             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(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)作了綜合介紹，包括采用離散化多主應(yīng)力面加載和控制系統(tǒng)，解決了復(fù)雜三維初始應(yīng)力場的模擬難題；采用機(jī)械臂和步進(jìn)微型掘進(jìn)機(jī)技術(shù)、微型高精度位移量測技術(shù)、聲波測試技術(shù)、光纖測量及內(nèi)窺攝影技術(shù)等，解決了三維試驗(yàn)中的隱蔽開挖模擬及內(nèi)部量測等關(guān)鍵技術(shù)問題。試驗(yàn)結(jié)果表明擬建水電站地下廠房洞室群的總體布置、洞型設(shè)計、洞室間距是合理的，推薦的支護(hù)方案對洞室整體性的加強(qiáng)

2、有明顯的作用，對設(shè)計方案起到有力的支持和驗(yàn)證作用。 關(guān)鍵詞大型水電站 地下廠房洞室群 三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn) 研究巖體穩(wěn)定問題通常采用的方法有工程類比法、地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析法、數(shù)值模擬仿真分析法和地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗(yàn)法等1，2。對于中小型工程，一般只采用前幾種方法進(jìn)行研究，但對于大型或超大型工程，地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗(yàn)則是必要的。模型試驗(yàn)尤其是三維模型試驗(yàn)與數(shù)值方法相比有它的弱點(diǎn)，如尺寸效應(yīng)、試驗(yàn)難度大、費(fèi)用高。然而，物理模型則由于是真實(shí)的物理實(shí)體，在基本滿足相似原理的條件下，則更能真實(shí)地反映地質(zhì)構(gòu)造和工程結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，更準(zhǔn)確地模擬施工過程和影響。試驗(yàn)結(jié)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(xué)特征、變形趨勢和穩(wěn)定性特點(diǎn)，以及各洞室或結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，從而做出相應(yīng)的判斷。其次，也可以通過物理模型試驗(yàn)，對各種數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行一定程度上的驗(yàn)證。與研究壩體、壩基和壩肩及邊坡穩(wěn)定性的三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)36相比，地下洞室群的巖石力學(xué)物理模型試驗(yàn)則有很大的差距。據(jù)文獻(xiàn)檢索，只有少數(shù)幾個平面模型試驗(yàn)711和小型三維試驗(yàn)12。這些試驗(yàn)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(yàn)難度太大，如三維地應(yīng)力場的模擬原理和技術(shù)、洞室群開挖尤其是內(nèi)部洞室隱蔽開挖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)、內(nèi)部物理量測量等。本文作者提出并研制了離散化多主應(yīng)力面加載和控制系統(tǒng)，成功解決了復(fù)雜三維初始應(yīng)力

4、場模擬的難題；采用機(jī)械臂和步進(jìn)微型掘進(jìn)機(jī)技術(shù)、微型高精度位移量測技術(shù)、聲波測試技術(shù)、光纖測量及內(nèi)窺攝影技術(shù)等，解決了隱蔽開挖模擬及內(nèi)部量測等關(guān)鍵問題，完成了水電站復(fù)雜洞室群模型試驗(yàn)。這一試驗(yàn)成果可應(yīng)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(jī)容量12600MW，共計18臺700MW的水輪發(fā)電機(jī)組。該工程地質(zhì)條件復(fù)雜，地下洞室群布置復(fù)雜、縱橫交錯，尤其是左岸地下廠房軸線與最大主應(yīng)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(dá)度)，如此超大規(guī)模的地下洞室群在施工期和運(yùn)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(jī)組。左岸地下廠房布置在大壩上游山體內(nèi)，總裝機(jī)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(nèi)錯動帶以P26下部及P24、P25層內(nèi)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(shè)計經(jīng)過與設(shè)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(guān)系的簡化。根據(jù)試驗(yàn)相似理論和上述幾何比尺，進(jìn)行了如下的模型相似條件設(shè)計：用下標(biāo)p代表原型，下標(biāo)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(yīng)力，o為初始地應(yīng)力，為應(yīng)變，為泊松比，為摩擦角，C為粘聚力，Rc為抗壓強(qiáng)度，Rt為抗拉強(qiáng)度。如設(shè)實(shí)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(yīng)力有相同量綱的物理量均有與應(yīng)力相同的相似比尺，即材料彈性模量、剪切模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、粘聚力，初始地應(yīng)力和面力荷載的相似比尺均為100.3 試驗(yàn)要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)本試驗(yàn)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(diào)壓室、母線道

7、和尾水管。3.1 模擬范圍 地下廠房順?biāo)鞣较虻纳舷掠胃魅∪蠖词易畲箝_挖跨度的11.5倍長度，實(shí)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(shí)際取為1.45倍1.85倍，達(dá)到海拔200m；上方取到地面，實(shí)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(jī)組段長度(自5號機(jī)組中心線至8號機(jī)組中心線)，為102m.因?yàn)槟Ｐ蛶缀伪瘸邽?/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(zhì)條件模擬 對模型試驗(yàn)范圍內(nèi)的地形、地貌、地質(zhì)材料和三維地質(zhì)構(gòu)造如層間

8、和層內(nèi)錯動帶進(jìn)行了模擬，模型基本滿足幾何、物理、力學(xué)相似條件。3.3 初始地應(yīng)力場模擬 三維原始地應(yīng)力的模擬是本試驗(yàn)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。經(jīng)過研究、論證和試驗(yàn)，本試驗(yàn)中首次提出并研制了“離散化多主應(yīng)力面加載及控制系統(tǒng)”，成功地模擬了三維地應(yīng)力場，保證了試驗(yàn)的初始條件。離散型三維多主應(yīng)力面加載系統(tǒng)，是在地質(zhì)力學(xué)模型仿真試驗(yàn)中，首次提出使用的一種能近似模擬復(fù)雜三維空間地應(yīng)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(jìn)行數(shù)值分析的原理，把需要模擬的復(fù)雜變化地應(yīng)力分布場，離散為有限多個微小的單元應(yīng)力場，并認(rèn)為此單元應(yīng)力場為一個等效的均勻應(yīng)力場。用一組垂直于該單元應(yīng)力場主應(yīng)力矢量的微

9、小主應(yīng)力面，代替原來的斜截面，并在這一組主應(yīng)力面上按照等效主應(yīng)力的大小施加法向力，就達(dá)到了模擬這一單元應(yīng)力場的目的(如圖2).對各個離散的單元應(yīng)力場均進(jìn)行這樣的操作，就可以完成整個試驗(yàn)域復(fù)雜變化的應(yīng)力場的模擬。圖2 離散化多主應(yīng)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(jié)構(gòu)環(huán)梁、支撐鋼架和空氣壓縮機(jī)組成。此外還有壓力監(jiān)測和報警輔助系統(tǒng)，以保證試驗(yàn)期間的壓力穩(wěn)定。3.4 開挖過程模擬 按照數(shù)值計算優(yōu)選的開挖步序(如圖3所示)，對試驗(yàn)范圍內(nèi)地下洞室群的隱蔽開挖進(jìn)行了模擬。本試驗(yàn)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(cè)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(jìn)方法，需要設(shè)計專門的鉆鑿機(jī)具。經(jīng)過反復(fù)研究試驗(yàn)，開發(fā)出隱蔽開挖機(jī)器臂和微型步進(jìn)式掘進(jìn)機(jī)，以及與之配合使用的隱蔽洞室內(nèi)窺系統(tǒng)，成功解決了這一技術(shù)難題。如圖4所示。圖3 地下廠房洞室群開挖分期設(shè)計3.5 支護(hù)方案模擬 按照數(shù)值計算優(yōu)選的支護(hù)方案，對錨固支護(hù)(包括三大洞室的噴混凝土、錨索)進(jìn)行了模擬。按照設(shè)計支護(hù)方案，錨索按實(shí)際位置模擬并施加預(yù)應(yīng)力。系統(tǒng)錨桿與噴混凝土聯(lián)合模擬為掛金屬絲網(wǎng)涂漿。錨索模擬材料采用金屬鋁線或細(xì)銅絲束，用建筑膠漿固結(jié)，以

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

12、0;   4 試驗(yàn)過程和結(jié)果試驗(yàn)自2000年5月開始各項(xiàng)前期工作，包括場地準(zhǔn)備、試驗(yàn)臺設(shè)計和施工、模型材料設(shè)計和試驗(yàn)、模型制作和傳感器埋設(shè)、地應(yīng)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(yùn)行、測量儀器的研制和準(zhǔn)備等。2001年7月15日正式實(shí)施洞室開挖模擬，量測系統(tǒng)進(jìn)行同步量測，采集數(shù)據(jù)，至2001年8月18日完成洞室群開挖。試驗(yàn)得出的洞群圍巖變形、應(yīng)力應(yīng)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(diào)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(jìn)行的數(shù)值

13、計算相比頂拱位移偏大一些，這是由于模型試驗(yàn)中準(zhǔn)確地模擬了層內(nèi)錯動帶的影響，而計算中則有所簡化。尾水調(diào)壓室邊墻比主廠房邊墻高20多米，初估最大水平位移應(yīng)該更大些，但尾水調(diào)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(diào)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(yàn)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(yīng)力 主廠房上游拱肩和

14、拱腳處、尾水調(diào)壓室上游拱肩和拱腳處均有拉應(yīng)力出現(xiàn)。尾水調(diào)壓室下游邊墻5m范圍內(nèi)的巖體大部分存在拉應(yīng)力，10m之外則呈現(xiàn)為壓應(yīng)力。隨開挖的進(jìn)行，洞室交叉部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，凡是壓應(yīng)力的則壓應(yīng)變值為原來的1.52.2倍。產(chǎn)生拉應(yīng)力的部位則給出了很大的拉應(yīng)變值，明顯不大合理，可能是粘貼應(yīng)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(yīng)力。拉、壓應(yīng)力分布范圍與計算結(jié)果接近。光纖傳感器量測的結(jié)果比較有規(guī)律，隨尾水調(diào)壓室高邊墻的逐漸形成，邊墻表面巖體應(yīng)力松馳，壓應(yīng)力降低甚至產(chǎn)生拉應(yīng)力，而壓應(yīng)力分布有向深部巖體傳遞的趨勢。4.3 超聲波測量 試驗(yàn)中采用超聲波測速與位移沿巖體深度分布規(guī)律相結(jié)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(diào)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(dá)9001000m/s，主廠房頂拱次之，為800900m/s，尾調(diào)室頂拱最低，為400500m/s.與地質(zhì)剖面相比較可以看出，這一結(jié)果恰恰和這些洞室所在地層及地質(zhì)構(gòu)造相吻合。根據(jù)聲波測量和位移測量結(jié)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(hù)系統(tǒng) 根據(jù)地下工程圍巖穩(wěn)定性分析的經(jīng)驗(yàn)，洞室圍巖越穩(wěn)定，圍巖的整體性越好(早期噴錨支護(hù)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(hù)方案在主

16、廠房頂拱埋設(shè)的兩排錨索，穿過了層內(nèi)錯動帶，增加了頂拱的整體性，是很必要的。雖然本試驗(yàn)中尚不能定量地比較這種錨固的作用，但定性上已經(jīng)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(shù)值計算中沒有反映出來的。通過對模型錨索應(yīng)力的測量，反映出對目前的開挖方案，錨索應(yīng)力有明顯增加。因?yàn)槲舱{(diào)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?yàn)橹虚g隔墻的存在而減弱，但對離隔墻遠(yuǎn)一些的部位仍有一定的沖擊作用?？紤]到這一點(diǎn)，尾調(diào)室上下游邊墻錨索的預(yù)應(yīng)力施加應(yīng)有所控制，而隔墻的加固應(yīng)適當(dāng)提前。5 結(jié)論(1)本試驗(yàn)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(gòu)造，容重比尺1比1；研制了離散化多主應(yīng)力面加載系統(tǒng)，使模擬復(fù)雜三維初始地應(yīng)力場得以實(shí)現(xiàn)；研制了用機(jī)械臂和步進(jìn)微型掘進(jìn)機(jī)，仿真模擬了施工過程；研制微型多點(diǎn)位移計，采用聲波測試、內(nèi)窺技術(shù)等多種測量手段進(jìn)行了內(nèi)部物理量的測量。(2)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了在廠區(qū)特有的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力條件下，該水電站地下廠房洞室群的總