杨房沟水电站母线洞围岩稳定性研究

作     者：张磊 zhanglei

作者单位：成都理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：石豫川

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：杨房沟水电站 母线洞 裂缝 围岩变形破坏机制 围岩稳定性 

摘      要：雅砻江杨房沟水电站位于四川省凉山州木里县境内,其总库容为5.1248亿m,装机容量为1500MW,该电站目前正处于施工阶段,预计2022年竣工。地下厂房采用左岸首部开发方案,地下厂房部位的地面高程2240～2370m,上覆岩体厚度197～328m,水平岩体厚度125～320m,岩性为花岗闪长岩,岩质坚硬,岩体较完整。厂区主副厂房洞、主变洞、尾调室三大洞室平行布置,纵轴线方向为N5°E,4条母线洞依次平行布置于厂房洞与主变洞间的岩柱之中,洞向与厂房轴线正交,开挖尺寸为45m×9m(11m)×7.5m(长×宽×高),每条母线洞之间的净距为24m。根据开挖洞室揭露的岩体性状,母线洞围岩岩体结构以块状～次块状为主,结构面一般以小断层和节理为主,主要呈NNE、NEE、NWW向,倾角以中陡倾角为主,围岩类别以Ⅱ、Ⅲ类为主。随着主副厂房洞持续下卧,母线洞逐渐位于高边墙的中上部,应力不断调整,再加上NNE向不利结构面的切割影响,其应力状态将变得十分复杂。经过现场调查发现,在开挖的不同阶段,母线洞出现了多种不同类型的变形破坏。开挖初期出现了掉块、片帮,中后期母线洞岩体、混凝土喷层、混凝土垫层及二次衬砌都出现了不同程度的开裂,有的水平分布,有的环向分布。而母线洞围岩是否稳定直接影响到厂房下游边墙的稳定性,因此对其围岩稳定性的研究是十分必要的。本次研究依托导师项目对杨房沟水电站进行施工期地质调查,参与现场地质素描工作,对每一段洞室开挖面进行详细的编录,及时整理第一手地质资料,对岩体结构、围岩质量进行评价,调查、分析每个开挖阶段产生的变形破坏现象。以“杨房沟水电站母线洞围岩变形破坏机制研究作为基础,围岩稳定性研究为目标作为总体路线和方法进行研究。通过上述研究,主要取得如下成果:(1)母线洞在支护前,围岩的变形破坏现象主要为边顶拱的块体型破坏、片帮以及底板基础裂缝。经支护后,变形破坏现象主要为边顶拱的喷层裂缝、底板垫层裂缝以及二衬混凝土裂缝。根据裂缝的空间发育特征,可以将裂缝分为平行于母线洞轴向的水平裂缝和垂直于母线洞轴向的环向裂缝。水平裂缝多出现在初衬过后母线洞的右侧拱肩位置,环向裂缝分布则较多,包括底板基础裂缝、喷层环向裂缝、底板垫层裂缝,靠近厂房发育较多、靠近主变洞发育较少。(2)母线洞围岩变形破坏机制主要为结构面控制型、应力控制型以及应力-结构面组合型。结构面控制型主要是块体发生滑移、塌落,最终产生掉块;应力控制型破坏现象主要是拱肩、拱脚等部位切向压应力集中而产生片帮、喷层水平裂缝;应力-结构面组合型是由于围岩由最初的三向压缩应力状态调整为竖向加载、侧向卸荷状态而产生压致拉裂破坏,NNE向陡倾角优势结构面进一步使围岩向厂房内侧发生变形,由此产生拉张型环向裂缝。(3)受河谷偏压地应力及二次应力特征影响,母线洞存在局部稳定性问题。在“跳洞开挖模式下,相邻母线洞的位移变化很小,开挖扰动程度弱,母线洞洞群围岩稳定性较好。通过运用3DEC数值模拟软件,模拟分层开挖作用下母线洞围岩的响应特征可以得出:在高边墙效应及母线洞围岩侧向卸荷、竖向加载的作用下发生压致拉裂变形破坏,使母线洞围岩、衬砌产生拉张型的环向裂缝。母线洞产生的轴向位移最大为9.64cm,若不及时支护,就不能确保母线洞围岩的稳定性。(4)对岩柱进行系统支护后可知:在支护措施实施后,母线洞邻近围岩的最大主应力大值由-2.5～-5.0MPa增大到-5.0～-7.5MPa,最小主应力由原来的正值变为负值,原来的拉应力区已基本消失。母线洞的轴向位移由支护前的9.64cm降低为4.08cm,塑性区只分布在浅表层,深部的已基本消失,母线洞的变形得到了有效地控制,围岩的稳定性大大提高。