卡拉水电站主厂房与主变洞间距优化研究.pdf

第 卷第 期 年 月水 力 发 电 .卡拉水电站主厂房与主变洞间距优化研究彭浩洋 杨 洋 方 丹 陈 斌 王应明(雅砻江流域水电开发有限公司 四川 成都 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江 杭州)摘 要:以卡拉水电站为工程依托 采用 离散元方法 建立了、和 等 种不同间距洞室群的 计算模型 分析主厂房与主变洞在不同间距下的围岩变形、应力及塑性区分布特征 结果表明 主厂房与主变洞的间距为 时 相邻洞室变形不形成干扰 岩柱间存在弹性区 岩柱应力松弛相对较小 建议卡拉水电站主厂房与主变洞的间距设置为 关键词:主厂房 主变洞 洞室群间距优化 卡拉水电站 .中图分类号:()文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:彭浩洋()男 四川眉山人 工程师 博士主要从事水电工程施工建设技术管理及研究工作.0引言在地下洞室群建设过程中 往往存在 条或多条并行布置的洞室 对于并行布置的洞室群 其洞室之间的合理间距对围岩稳定性、施工作业安全性及经济合理性具有重要影响 因此 研究并行地下洞室群的合理间距成为当前研究热点之一鉴于地下洞室群地质条件复杂 洞室结构形式多样 加之围岩应力、变形受开挖和支护施工影响强烈 因此 目前研究大多采用分析高效、成本低廉且计算灵活的数值模拟法进行洞室群间距优化分析 在水利水电工程中 洞室群间距优化也是工程中常常面临的关键问题 卞志兵等采用 软件并考虑了岩脉条件下应力、位移以及塑性区的分布特征 最终确定了惠州抽水蓄能电站主厂房与主变洞的合理间距 张明等采用 确定了官地水电站主厂房与主变室、尾调室间距分别为 和 的“一”字形布局方案 王帅等采用 模拟了 种洞室群模型开挖过程中围岩应力场变化规律 得到新疆某水电站洞室群的洞间距设计以大于 倍洞半径为宜 上述研究表明 地下洞室群间距的优化分析对于围岩稳定性具有重要意义特别是大型地下厂房洞室群 由于其建筑物安全等级高、规模大、布置复杂 洞室群间距优化往往是水 力 发 电 年 月 .工程建设中关注的重点本文基于卡拉水电站地下厂房洞室群间距优化的实际工程案例 首先介绍了卡拉水电站的工程概况、地下厂房的地质条件和面临的工程难点 其次建立了 种不同间距洞室群的 计算模型 分析了主厂房与主变洞在不同间距下的围岩变形、应力及塑性区分布特征 最后提出了卡拉水电站主厂房与主变洞的合理间距1地下厂房区域工程地质条件 工程简介卡拉水电站位于四川省凉山彝族自治州木里藏族自治县境内 是雅砻江中游两河口 卡拉河段水电开发规划一库七级的第七级水电站 坝址区位于木里县卡拉乡下田镇村上游约 处 上距杨房沟水电站 下距锦屏一级水电站 卡拉水电站枢纽工程主要由碾压混凝土重力坝(坝高 )、坝身泄洪建筑物、坝下消力池及右岸引水发电等建筑物组成 地下厂房洞群布置在右岸山体内 主要由主副厂房洞、母线洞、主变洞、引水隧洞及尾水隧洞等组成 主副厂房洞开挖尺寸 /(长宽高)主变洞开挖尺寸为 (长宽高)地下厂房与主变洞地质条件地下厂房上覆岩体厚度为 围岩中含碳质板岩、砂质板岩互层 岩性相对软弱 分布在安装场段至 号机组厂房顶拱一带 顶拱处出露宽 安装场只在局部顶拱出露 与地下厂房相交的构造有 条 其中级结构面 条 分别为、级结构面分布有 条 结构面分布有 条 地下厂房围岩类占 类占 类占 主变洞上覆岩体厚度为 与主变洞相交的构造有 条 其中级结构面 条 为 级结构面分布有 条 结构面分布有 条 主变洞围岩类占 类占 类占 地下厂房建设面临的难点与挑战卡拉水电站地下厂房洞室群埋深浅 地质条件复杂 对厂房围岩稳定影响较大 施工期变形安全风险突出 主要面临如下难点:()地下厂房区域由于岩体强度和岩体变形模量相对较低 而最大主应力约为 (实测最大主应力约 )对于具有高边墙和洞群效应的地下厂房而言 特别是在岩性条件较软弱、不利断层和结构面影响下 可能会出现边墙围岩的大变形问题()各大系统洞室(井)平面上相互贯通 空间上纵横交错 大小相贯 平竖相接 且相邻洞室间距较小 洞室围岩稳定相互联系、相互制约 洞室稳定问题突出()地下厂房区域发育的含碳质板岩、砂质板岩互层及级结构面、等断层破碎带是影响地下洞室开挖的主要不利因素 且洞室群埋深相对较浅 施工期间安全隐患较大卡拉水电站主厂房与主变洞间距优化分析时不仅需要考虑主厂房、主变洞的高边墙洞室变形及稳定问题 还需要充分考虑厂区不利地质条件 综合得到最优的洞室间距2模型建立 计算模型卡拉水电站地下厂房洞室群受断层、长大裂隙和岩性条件等地质因素影响 结构面导致的非连续变形问题突出 因此 本文采用 离散元方法进行主厂房与主变洞间距优化分析 卡拉水电站地下厂房洞室群计算模型见图 图 包含了地下洞室群的主要洞室 如地下厂房、主变室、母线洞、尾水洞及引水隧洞等 由于地下厂房区域结构面发育岩体构造复杂 对洞室群的稳定性具有较大影响因此 在 软件中同时模拟了、等结构面的分布图 卡拉水电站地下厂房洞室群计算模型第 卷第 期彭浩洋等:卡拉水电站主厂房与主变洞间距优化研究 .表 岩体力学参数取值岩体类别容重/岩石单轴饱和抗压强度/变形模量/垂直水平岩体抗剪断及抗剪强度混凝土/岩/岩/岩/计算工况与材料参数 计算工况根据水电站地下厂房设计导则 对于大型电站主体洞室的间距一般以 为宜 因此为研究卡拉水电站主厂房与主变洞的最优间距 本文计算了主厂房与主变洞 种不同净间距的模型分别是、和 选择机组中心线剖面作为间距优化分析部位 间距比选分析结果中选取的机组剖面见图 图 中、及 剖面分别为 号、号、号及 号机组剖面图 间距比选分析结果中选取的机组剖面 材料参数根据可研阶段工程地质勘察成果 卡拉水电站地下厂房区域岩体及主要结构面力学参数分别见表、表 主要结构面力学参数取值断层厚度/摩擦角/()粘结力/法向刚度/切向刚度/注:弹性模量均取 泊松比均取 3洞室间距优化分析 高边墙大变形边墙变形程度与洞室间的间距具有相关性 当间距不足时 相邻洞室的开挖会对边墙变形产生影响 特别是存在大型控制性结构面时 相邻洞室开挖时的相互影响会变得较为复杂计算结果表明 地下厂房高边墙大变形问题突出 其中以主厂房上游侧边墙变形最为显著局部洞段洞室变形主要受断层影响 图 为 种洞室间距条件下洞室开挖后 号机组 剖面的围岩变形 从图 可知 种间距条件下 中间岩柱的变形具有差异 间距时中间岩柱变形同时受到主厂房以及主变洞的开挖影响 而当间距为、时 洞群效应减小 间距时中间岩柱的变形为 当间距为、时 洞群效应相对最小 岩柱变形为 为避免岩柱内出现变形干扰情况 并减小母线洞长度以提高经济性 建议主厂房与主变洞间距设置为 塑性区分布特征当洞室间间距不足时 邻洞开挖不仅会对变形场产生影响 而且也可能造成中间岩柱屈服状态发生变化 因此 岩柱内屈服区的分布特征也可以作为评价洞室间距合理性的指标之一 图 为 种洞室间距条件下洞室开挖后 号机组 剖面的塑性区分布 从图 可知 间距条件下 主厂房和主变洞之间、母线洞以上部分岩柱全部处于屈服状态 当间距增大到 时 上述部位围岩状态得到明显改善 中心位置的围岩基本处于弹性状态 当间距为 岩柱中心位置的围岩完全处于弹性状态 应力分布特征卡拉水电站地下厂房区域是以水平应力为主的初始地应力场特征 虽然应力水平相对不高 但在地下厂房洞室群开挖建设中也需要考虑应力集中和应力破坏的可能性 以 号机组 剖面为例 水 力 发 电 年 月 .图 不同间距开挖后位移分布特征图 不同间距开挖后塑性区分布特征和 间距条件下各洞室开挖完成后的应力分布见图、从图、可知 顶拱和底板拐角处为应力集中区 但应力集中区最大主应力约为 不具备普遍发生应力型破坏的条件 洞室边墙不存在明显应力集中现象 因此也不会出现高应力破坏问题 此外 边墙应力松弛区域相对较大 特别是当洞室间距为 时 在主厂房和主变洞之间 号母线洞上方一定深度范围均存在较为明显的应力松第 卷第 期彭浩洋等:卡拉水电站主厂房与主变洞间距优化研究 .图 间距的应力分布图 间距的应力分布弛 当间距增大为 时 该区域的应力条件有明显改善 中间部位岩体只受母线洞本身开挖的影响基本不受主厂房和主变洞影响4结语本文依托卡拉水电站 采用 离散元法对主厂房和主变洞的 种间距方案进行计算分析得到结论如下:()间距时 主厂房和主变洞之间的岩柱变形为 间距在、时 洞群效应相对最小 岩柱变形为 ()间距时 主厂房和主变洞之间的部分岩柱全部处于屈服状态 当间距增大到 时 上述部位围岩状态得到改善 中心位置的围岩基本处于弹性状态()间距时 主厂房和主变洞之间的岩柱均存在较为明显的应力松弛 洞室间距设置为 时 主厂房与主变洞之间岩柱的应力松弛明显减小()从避免相邻洞室变形干扰、满足岩柱内存在弹性区的要求、减小岩柱的应力松弛及控制母线洞长度等方面综合考虑 建议卡拉水电站主厂房与主变洞的合理间距设置为 参考文献:程永锋 朱照清 卢智成 等.双洞洞距洞径比对地震下围岩稳定性研究 .应用 基础与 工程科 学学报 ():.邱治强 高明忠 谢晶 等.埋深地下实验室洞群布置模式优化研究.岩土工程学报 ():.贾龙 王成虎 陈奇 等.地下洞室群不同空间关系下的围岩应力场分析.人民长江 ():.王登科 骆建军 高立平 等.基于爆破等效荷载的大型地下洞室群合理间距分析.中南大学学报(自然科学版)():.揭秉辉 江权.大型洞室分层开挖围岩位移释放率与支护效用探讨.水力发电 ():.翁义孟 杨健.关于地下洞室围岩稳定性问题的思考.水力发电 ():.皇民 赵玉如 蔺世豪 等.洞室间距对双洞山岭隧道地震动力响应影响分析.河南理工大学学报(自然科学版)():.陈祥 刘明学 祁小博.爆破振动作用下大型地下洞室群围岩动力响应及 合理间 距分析 .振动 与冲击 ():.王帅帅 高波 范凯祥 等.平面 波入射下浅埋平行双洞隧道注浆加固减震机制.岩土力学 ():.(下转第 页)第 卷第 期姚 虞等:高土石坝复杂材料筑坝技术新进展 .变形和稳定问题 应做好坝体断面和分区设计 针对坝料性质确定坡比和碾压参数 确保排水系统通畅并做好反滤 抗震设防烈度高的要做好抗震设计例如 句容抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板坝综合考虑工程规模、地震烈度以及开挖料性质较差等因素 采用上游坡比 、下游综合坡比 且根据碾压试验将碾压参数提高至按照孔隙率不大于 控制 采用 振动碾碾压 遍 镇安抽水蓄能电站上水库混凝土面板堆石坝则针对结晶灰岩料易碎透水性差的问题 通过合理分区将透水性好的花岗岩料布置在上游和坝底形成排水通道将结晶灰岩料布置在坝体中部和下游 溧阳抽水蓄能电站上水库混凝土面板堆石坝为减小坝体不均匀沉降和满足抗震性能要求 在大坝下游底部和顶部设置增模区 并将强风化料置于次堆石区上部干燥区域 避免湿化变形 文登抽水蓄能电站上水库混凝土面板堆石坝结合渗流分析成果优化调整下游堆石区的底部界限 并加强排水反滤措施针对防渗体系安全可靠性问题 除了要做好坝基灌浆和接缝止水外 主要通过控制坝体变形 特别是不均匀变形 以减小面板或心墙防渗体开裂风险 例如溧阳抽水蓄能电站上水库主坝坝基对 形中间山脊进行了宽缓平台开挖 大坝下游底部和顶部设增模区 以减少坝体不均匀变形差 从而减小面板开裂的风险4结语抽水蓄能电站的快速建设带来了土石坝建设的新机遇 面对抽水蓄能电站中土石坝建设所遇到的复杂材料筑坝问题 以及对循环荷载下大坝长期稳定、防渗系统安全可靠的要求 近年的工程实践实现了筑坝技术的新进展 并且土石坝筑坝技术随着工程建设的推进和研究的深入还在不断发展 本文对复杂材料筑坝已有经验进行了总结 并以句容、文登、溧阳、镇安抽水蓄能电站上水库工程复杂材料筑混凝土面板堆石坝为例 分析了高土石坝复杂材料筑坝技术的新进展 总结了抽水蓄能电站土石坝建设的关键问题及对策措施 以期为新形势下土石坝建设提供参考参考文献:杨泽艳 蒋国澄 周建平 等.国际混凝土面板堆石坝的发展中国水力发电工程学会 中国大坝协会.水电 大会 中国大坝协会 学术年会暨第三届堆石坝国际研讨会论文集.郑州:黄河水利出版社:.杨泽艳 周建平 蒋国澄 等.中国混凝土面板堆石坝的发展.水力发电 ():.杨泽艳 周建平 王富强 等.混凝土面板堆石坝软岩筑坝技术进展高面板堆石坝安全性研究及软岩筑坝技术进展研讨会论文集.南京:中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会:.石含鑫 李剑飞 吴书艳 等.溧阳抽水蓄能电站上水库工程设计与运行中国大坝工程学会.水库大坝高质量建设与绿色发展 中国大坝工程学会 学术年会论文集.郑州:黄河水利出版社:.(责任编辑 王 琪)(上接第 页)傅建 孙留颖 于锐锋.南水北调中线某双洞线输水隧洞间距优选.人民黄河 ():.卞志兵 高正夏 宗文亮 等.基于 的岩脉条件下地下洞室间距及围岩稳定分析.武汉大学学报(工学版)():.张明 孙思奥 李仲奎.地下厂房布置优化及施工过程的显式有限差分法数值模拟.岩石力学与工程学报():.王帅 王成虎 慎乃齐.双圆形洞室群开挖过程围岩应力场变化分析.现代地质 ():.吴家耀 褚卫江 徐全.卡拉水电站地下厂房初始应力场反演分析.人民长江 ():.王仁坤 李杰 付英茹 等.水电站地下厂房设计导则:/.北京:中国水电工程顾问集团公司.(责任编辑 杨 健)(上接第 页).():.孔洋 阮怀宁 汪璋淳.玄武岩脆性类岩石相似模型材料比选与力学特性测试研究/.岩土工程学报:.:./.尤明庆.岩石强度准则的数学形式和参数确定的研究.岩石力学与工程学报 ():.():.(责任编辑 杨 健)