锦屏一级水电站地下厂房围岩变形破坏特征及地质力学机制研究

摘要

21世纪是我国大量开发地下工程的世纪。西南地区水能资源丰富,但是高山峡谷众多,因此,其水电站厂房多采用大型地下洞室群方案。而地下工程的围岩稳定性问题是工程地质勘查、设计和施工中的重大问题,它涉及地下工程能否成洞、能否建成、影响投资和工期,因此备受关注。
　　 在建的锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县和盐源县交界处的雅砻江大河湾干流河段上,是雅砻江干流下游河段的控制性水库梯级电站。其引水发电系统布置于坝区右岸,洞室群规模巨大。由于其工程的复杂性和特殊性超出了人们已有的经验和认识程度,使得其地下洞室群的设计和施工面临严峻的考验。
　　 本文在现场调研和室内资料统计分析的基础上,通过工程地质分析、三维数值模拟等手段,对地下厂区的围岩变形破坏成因机制进行了研究。
　　 首先,结合地质编录资料,在岩体结构面工程地质分级的基础上,统计分析了各级结构面的分布规律。统计结果表明:厂区数量最多、分布最广泛的Ⅲ级结构面中主要以第①组层面裂隙最为发育(N30～60°E/NW∠30～40°),其次为第②组层间裂隙(NSO～70°E/SE∠60～80°),再次为第④组裂隙(N60～70°W/NE(SW)∠80～90°),第③组裂隙(N25～40°W/NE(SW)∠80～90°)最不发育。
　　 其次,根据工程实际情况,在ANSYS有限元程序中建立了地下洞室群三维地质概化模型,并利用FLAC3D有限差分计算程序,采用快速应力边界法,通过在计算过程中不断调整应力边界条件,并与实测初始地应力相对比,以使计算应力值和实测应力值达到最优程度的拟合为目的,获得了研究区的初始应力场。所获得的初始应力场是自重应力场和构造应力场的叠加场。数值计算结果表明,研究区处于较高的初始应力状态下,计算应力场和实测应力场在量值和方向上均达到了较好程度的拟合。
　　 在此基础上,结合实际的开挖和支护情况,通过适当调整,模拟了地下洞室群的开挖和支护状态,获得了开挖后围岩的二次应力分布情况。并提取了洞室群中的三个主要断面:纵0+079.0m、0+126.8m、0+158.5m,分析了其二次应力及位移的分布特征。
　　 最后,根据三维数值计算结果,并结合对变形监测资料的分析,以及对地下厂区主要变形破裂现象的认识,从岩体结构特征和应力场分布特征两个方面分析了洞室群变形破裂的成因机制。研究结果表明:第①组和第②组、第①组和第④组结构面的组合有可能是构成上游边墙常见的卸荷松弛变形破坏、下游侧(特别是拱腰部位)弯折鼓出变形破坏的潜在岩体结构因素。本就处于高地应力区,且随开挖的进行一定深度范围内围岩的二次应力逐渐增大,局部二次应力尤为集中,是地下厂房局部变形破坏较严重的地应力因素。而随开挖的进行,二次应力集中的部位逐渐由上游侧向下游侧发展,且下游侧最大主应力量值不断增加,而最小主应力量值变化较小,从而造成下游侧最大主应力和最小主应力差随开挖明显增大,是上、下游侧差异变形的主要原因。