石門坎水電站導(dǎo)流洞圍巖穩(wěn)定性分析

葉 焰 中

(深圳市北部水源工程管理處，廣東 深圳　518000)

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石門坎水電站導(dǎo)流洞圍巖穩(wěn)定性分析

葉 焰 中

(深圳市北部水源工程管理處，廣東 深圳518000)

根據(jù)石門坎水電站的工程地質(zhì)情況，從圍巖類別的角度分析了水電站導(dǎo)流洞的穩(wěn)定性，通過探討三類圍巖截面的變化情況,得到了適合其圍巖類型的支護(hù)方式,為類似工程施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

水電站，導(dǎo)流洞，圍巖，穩(wěn)定性

1　工程地質(zhì)背景

1.1工程概況

石門坎水電站位于李仙江干流崖羊山水電站的下游，樞紐由混凝土拱壩、引水式地面廠房組成。石門坎水電站導(dǎo)流洞布置于壩址右岸山體內(nèi)，采用施工方便、水力條件較好的城門洞形式，斷面尺寸為7.0 m×9.0 m(寬×高)，最大埋深約185 m，洞長544.99 m[1，2]。

1.2工程地質(zhì)分析

石門坎水電站導(dǎo)流洞沿線穿過眾多巖性不同的砂巖及泥巖，圍巖巖體的物理力學(xué)性能如表1所示[3，4]。其中基本穩(wěn)定的Ⅱ-Ⅲ類圍巖長約215 m，局部穩(wěn)定性差的Ⅲ類圍巖長約316 m，構(gòu)造帶及其影響帶Ⅴ類圍巖長約15 m。圍巖均為微風(fēng)化的新鮮巖體，大部分洞段巖層走向與洞向夾角較大，對圍巖穩(wěn)定非常有利。

表1　導(dǎo)流洞巖石力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)　MPa

導(dǎo)流洞大部分洞段位于地下水位以下，地下水位較高，巖體結(jié)構(gòu)面間摩擦系數(shù)降低，粉砂巖、泥巖等較軟巖失水易風(fēng)化崩解，地下水作用使圍巖自身穩(wěn)定性有所降低。

2　利用數(shù)值計(jì)算對導(dǎo)流洞圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性分析

石門坎水電站導(dǎo)流洞由三類(Ⅱ類-Ⅲ類、Ⅲ類、Ⅴ類)不同性質(zhì)的圍巖組成，針對三種情況，分別在每一類中選一個(gè)截面進(jìn)行計(jì)算。截面形式如圖1所示。材料參數(shù)見表2。

把因洞室開挖對周圍巖體的影響看作是一個(gè)平面問題，不計(jì)空間影響。又因考慮到天然拱厚度，所以取計(jì)算范圍為洞寬度的6倍～10倍，圍巖計(jì)算單元模型的計(jì)算范圍如圖2所示。在下文的計(jì)算過程中計(jì)算范圍為洞寬度的7倍。

表2　導(dǎo)流洞圍巖穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表

截面圍巖級別彈性模量E/MPa泊松比抗側(cè)力系數(shù)截面形式m2重度kN/m3A—AⅡ類-Ⅲ類150.050.058.2×10.225B—BⅢ類100.090.18.3×10.324C—CⅤ類0.30.290.48.6×11.018.5

2.1Ⅱ類-Ⅲ類圍巖穩(wěn)定性分析

由表2建立A—A截面計(jì)算模型,邊界條件為計(jì)算模型的左右邊界面約束水平方向的位移，上部邊界面為自由面，下部邊界面約束垂直方向的位移。荷載為上部邊界施加0.835 MPa的均布荷載，彈性模量E=1.5E1 MPa，泊松比為0.05。

A—A截面導(dǎo)流洞在未發(fā)生變形前的應(yīng)力云圖如圖3所示，導(dǎo)流洞在發(fā)生變形后的應(yīng)力云圖如圖4所示，從圖3和圖4可以看到，在開挖之后,導(dǎo)流洞并未發(fā)生很大的變形，圍巖較穩(wěn)定。

2.2Ⅲ類圍巖穩(wěn)定性分析

由表2建立B—B截面計(jì)算模型,邊界條件為計(jì)算模型的左右邊界面約束水平方向位移，上部邊界面為自由面，下部邊界面約束垂直方向的位移。荷載為上部邊界施加0.812 4 MPa的均布荷載，彈性模量E=1.0E1 MPa，泊松比為0.09。

B—B截面導(dǎo)流洞在未發(fā)生變形前的應(yīng)力云圖如圖5所示，導(dǎo)流洞在發(fā)生變形后應(yīng)力云圖如圖6所示，從圖5和圖6可以看出，在開挖之后,導(dǎo)流洞并未發(fā)生很大的變形，圍巖比較穩(wěn)定。

2.3Ⅴ類圍巖穩(wěn)定性分析

由表2建立C—C截面計(jì)算模型,邊界條件為計(jì)算模型的左右邊界面約束水平方向的位移，上部邊界面為自由面，下部邊界面約束垂直方向的位移。荷載為上部邊界施加0.647 5 MPa的均布荷載，彈性模量E=0.3 MPa，泊松比為0.29。

導(dǎo)流洞C—C截面在未發(fā)生變形前的應(yīng)力云圖如圖7所示，在發(fā)生變形后的應(yīng)力云圖如圖8所示，從圖7和圖8可以看到，在開挖之后,導(dǎo)流洞截面發(fā)生了很大的變形，圍巖穩(wěn)定性差，應(yīng)當(dāng)及時(shí)支護(hù)或是超前支護(hù)。

2.4石門坎水電站導(dǎo)流洞支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算

由于圍巖類別不同，作用在支護(hù)及襯砌上的作用力也有所不同，那么支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)也略有差別，如圖9所示，是導(dǎo)流洞全線的支護(hù)以及襯砌結(jié)構(gòu)的類型。

從以上的計(jì)算中可以看出，A—A截面和B—B截面圍巖相對比較穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)可以滿足要求，但是C—C截面圍巖穩(wěn)定性極差，需要加強(qiáng)支護(hù)。

3　結(jié)語

通過以上對石門坎水電站導(dǎo)流洞地質(zhì)的分析及計(jì)算，施工過程中應(yīng)盡量注意以下幾個(gè)方面的問題：

1)在掘進(jìn)過程中，由于圍巖類別不同，圍巖所表現(xiàn)出來的穩(wěn)定性也不一樣，所以施工人員絕不能一律按一種參數(shù)進(jìn)行施工，應(yīng)在具體的圍巖級別中選擇具體的施工參數(shù)。特別是在Ⅴ類圍巖的施工過程中，應(yīng)及時(shí)支護(hù)，以免出現(xiàn)塌方影響工期。

2)在施工過程中，施工人員還應(yīng)結(jié)合施工效果對下一步施工進(jìn)行優(yōu)化，但不能隨意修改已有的數(shù)據(jù)資料。

3)在導(dǎo)流洞進(jìn)口以及出口，由于導(dǎo)流洞非深埋洞，所以在施工過程中應(yīng)特別注意在開挖過程中及時(shí)支護(hù)，在特別需要的情況下應(yīng)進(jìn)行超前支護(hù)。

4)如果施工時(shí)遇到地下水，應(yīng)對地下水進(jìn)行處理，不能視之不理。因?yàn)榈叵滤拇罅苛鞒?，?dǎo)致孔隙里的填充物被帶走，對圍巖的穩(wěn)定不利。同時(shí)還應(yīng)做好通風(fēng)與防塵措施。

[1]黃細(xì)丁.石門坎水電站導(dǎo)流洞開挖支護(hù)過程模擬分析[J].云南水利發(fā)電，2009,25(1):54-57.

[2]馬志峰.不良地質(zhì)條件大斷面導(dǎo)流洞開挖支護(hù)的施工技術(shù)[J].西北水電，2008(5):38-40.

[3]李剛,陳強(qiáng),聶德新，等.復(fù)雜巖性條件下巖體變形模量試驗(yàn)與取值方法[J].人民長江，2013(23):48-51.

[4]熊建清，竇燕，楊道坡.石門坎水電站導(dǎo)流洞工程優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].人民黃河，2011，23(1):139-141.

On surrounding rock stability analysis of diversion tunnel at Shimenkan Hydropower Station

Ye Yanzhong

(ShenzhenNorthWaterSourceEngineeringAdministrativeOffice,Shenzhen518000,China)

According to the geological survey of Shimenkan Hydropower Station, the paper analyzes the stability of the diversion tunnel of the hydropower station from the surrounding rock types, explores the sections of the three surrounding rocks, and concludes the support approaches for the surrounding rock types, so as to accumulate experience for similar projects.

hydropower station, diversion tunnel, surrounding rock, stability

1009-6825(2016)19-0209-02

2016-04-25

葉焰中(1984- ),男，碩士，工程師

TV732

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