杨房沟水电站地下洞室群围岩稳定性研究

摘要

雅砻江杨房沟水电站位于四川西昌市木里县境内，其总库容为5.1248亿m3，装机容量为1500MW，该电站现已进入施工阶段，预计2022年竣工。地下厂房采用左岸首部开发方案，地下洞室群部位的地面高程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，岩体完整，岩质坚硬。厂区主要由主副厂房洞、主变洞、尾调室平行布置，纵轴线方向为N5°E。经过现场调查发现，厂区内无较大规模断裂穿过，但是小断层和节理发育较多且组成较为复杂的构造系统，这些结构面的性状和空间位置的随机性造成了地下洞室变形破坏的可能性，而相近洞室开挖引起的群洞效应更加大了这种可能性发生。除此之外，相同地质条件下，洞室尺寸的不同，其变形和破坏方式也不相同，最终可能造成支护方式的差异。因此对地下洞室群的稳定性研究是十分重要的。
　　论文选择杨房沟水电站地下厂房、主变洞、尾水调压室为主的地下洞室群作为主要研究对象，以地下洞室群稳定性作为主要研究目标，通过结构面发育特征、岩体结构特征、围岩变形破坏特征、围岩岩体质量等资料的搜集和统计，分析岩体结构、围岩质量、结构面发育特征、洞室尺寸和群洞效应对地下洞室群整体和局部稳定性的影响，为支护设计工作提供参考资料。
　　在研究过程中，主要通过长期驻扎现场并参与施工地质工作，收集每一段洞室开挖后的第一手地质资料并在室内进行整理。以“开挖洞室岩体结构和变形破坏特征研究作为基础，开挖洞室稳定性研究为目标”作为总体路线和方法进行研究:
　　(1)通过现场调查，结合前期可研阶段华东院相关研究成果，对研究区所处的地质环境背景进行分析。
　　(2)对每段开挖洞室都进行岩体结构分类、围岩质量判别和地质素描图工作，并作为基础资料进行整理、保存。
　　(3)调查每个洞段的变形破坏迹象，对其主要控制因素进行分析研究并判断其模式，依据不同洞室尺寸进行分类对比。
　　(4)在上述研究基础上，对地下洞室群整体和局部稳定性进行分析，结合控制性结构面调查成果和前期试验成果，选择合适的计算参数，科学的确定边界条件并建立模型，运用3DEC数值模拟软件对应力应变等主要数据进行分析。
　　通过上述研究，主要取得如下成果:
　　(1)根据已开挖洞室揭露现状，结构面一般以小断层和节理为主，走向主要以NWW、NNE、NE向为主，倾角以中陡倾角为主。岩体结构以块状～次块状为主，局部镶嵌结构。围岩类别以Ⅱ、Ⅲ类为主。
　　(2)研究区围岩变形破坏模式主要为结构控制型、应力控制型、应力-结构控制型三种，其中以结构控制型为主，应力-结构控制型次之，应力控制型分布最少。结构控制型变形破坏以塌落、滑移为主;应力-结构控制型变形破坏以开挖后节理的松弛张开为主;应力控制型变形破坏以劈裂剥落和张裂塌落为主，基本不存在岩爆现象。
　　(3)通过数值模拟对5种不同尺寸洞室进行尺寸效应模拟可以得出，位移量和塑性区深度与洞室尺寸呈二次函数正比关系，而不是理论中的线性正比关系。当洞室尺寸增大至15m左右时位移量和塑性区深度随洞室尺寸增大而变化的幅度明显加大。在应力分布上呈现出与位移量和塑性区分布大致相同的规律。
　　(4)对地下洞室群的整体稳定性分析后得出在洞室开挖后无支护的条件下最大位移为7.2cm，位于厂房下游侧边墙，地下洞室群存在群洞效应，主要体现在厂房开挖对主变洞的影响。
　　(5)对地下厂房3个典型断面的局部稳定分析后得出厂右0+66m断面主要受挤压破碎带J150和断层f123以及顺洞向节理影响，最大位移量达32mm;厂右0+05m～厂左0+35m洞段下游边墙受断层f83、挤压破碎带J145、J164影响，最大位移量达38mm;厂右0+10m上游侧拱肩混凝土喷层受断层f49影响出现开裂。以上3个断面经过现场检测与数值模拟分析发现其位移量虽然超过警戒值但在后续开挖过程中随时间逐渐收敛，不会出现大范围变形破坏。
　　监测数据分析成果和数值模拟成果表明，地下洞室群整体处于基本稳定状态，针对局部变形部位应加强支护，并在后续开挖过程中持续监测。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状评述

1．2．1 地下洞室岩体结构特征

1．2．2 地下洞室围岩变形破坏模式

1．2．3 地下洞室围岩稳定性研究

1．2．4 杨房沟水电站坝址区研究现状

1．3 研究内容

1．4 研究方法及技术路线

第2章 研究区地质环境背景

2．1 区域构造及地震

2．2 地形地貌

2．3 地层岩性

2．4 地质构造

2．5 风化卸荷

2．6 地应力

2．7 岩土体物理力学特征

2．8 水文地质条件

第3章 地下洞室岩体结构和变形破坏特征研究

3．1 结构面发育特征

3．1．1 Ⅰ、Ⅱ级结构面特征

3．1．2 Ⅲ级结构面特征

3．1．3 Ⅳ级结构面特征

3．1．4 Ⅴ级结构面特征

3．2 岩体结构类型及基本特征

3．2．1 块状、次块状结构

3．2．2 镶嵌结构

3．2．3 块裂结构

3．3 地下洞室围岩岩体质量

3．4 地下洞室变形破坏迹象

3．5 地下洞室变形破坏的主要控制因素

3．5．1 岩体结构和变形破坏关系

3．5．2 地质构造对变形破坏的控制作用

3．5．3 触发性动力因素影响

3．5．4 岩性、地应力、地下水的影响

3．6 地下洞室变形破坏模式分析

3．6．1 结构控制型破坏

3．6．2 应力控制型破坏

3．6．3 应力-结构控制型破坏

第4章 地下洞室自稳性的尺寸效应分析

4．1 研究洞段样本选择

4．2 样本洞段岩体结构特征

4．3 样本洞段变形破坏特征

4．4 洞室尺寸效应研究

4．4．1 不同洞径下洞室变形特征对比

4．4．2 不同洞径下洞室应力特征对比

4．4．3 不同洞径下洞室塑性区特征对比

4．4．4 不同洞径下洞室自稳性对比

第5章 地下洞室群稳定性研究

5．1 宏观定性分析

5．2 地下洞室群整体稳定性分析

5．2．1 模型建立和参数选取

5．2．2 结构面的生成

5．2．3 计算成果与分析

5．3 主副厂房洞局部稳定性定量分析

5．3．1 厂右0+66m下游边墙变形分析

5．3．2 下游边墙蚀变带变形分析

5．3．3 厂右0+10m上游拱肩变形分析

5．4 稳定性综合评价

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果