水電站引水隧洞圍巖穩(wěn)定分析及支護設計

韋愛思

(廣西壯族自治區(qū)河池水利電力勘測設計研究院，廣西 河池 547000)

水電站引水隧洞圍巖穩(wěn)定分析及支護設計

韋愛思

(廣西壯族自治區(qū)河池水利電力勘測設計研究院，廣西 河池 547000)

水電工程引水隧洞施工具有開挖路線長、工程量大、開挖洞徑大等特點。在施工過程中受不良地質的影響容易出現(xiàn)涌泥、涌水、坍塌等事故。本文以良灣水電站引水隧洞為例，對圍巖穩(wěn)定性進行計算分析和論證，并對圍巖初期支護方案進行設計，為洞室結構施工提供有效參考。

水電站；引水隧洞；圍巖穩(wěn)定；支護設計

1 工程概況

良灣水電站為引水發(fā)電工程，位于廣西河池市鳳山和巴馬兩縣交界地段的盤陽河上。引水壩為開敞式溢流重力壩，最大壩高15m，堰頂高程408.00m。電站設計水頭106.10m，裝機2×25MW。引水系統(tǒng)由明渠和無壓隧洞組成，設計流量27.40m/s，全長9628.80m，其中，明渠3段，共長575m，編號1～3號，無壓隧洞9053.80km，分5段，最長洞段為2號隧洞2段(長3187.60m)，隧洞為城門洞形斷面，寬4.20～4.70m、高6.40～6.70m。

2 引水隧洞地質狀況

隧洞沿線地層為C2或C3厚—巨厚層灰?guī)r、白云巖，圍巖巖體工程分類為Ⅱ、Ⅲ類，穩(wěn)定性較好，但由于存在較多溶洞、落水洞，1號隧洞可能遇到穿越地下河，2號隧洞上游段橫交兩條斷層，2號隧洞近出口一段可能與馬安洞相遇，不確定因素多，地質條件復雜。隧洞進、出口處一般山體較陡，覆蓋層較薄，或巖石裸露，易成洞。巖土物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學參數(shù)

由于隧洞的開挖、襯砌和灌漿施工會對原有的巖體結構造成破壞，洞室圍巖受地下水、重力、應力釋放等荷載因素的影響，會出現(xiàn)徑向位移，為保證隧洞施工的順利開展，需對圍巖穩(wěn)定性進行分析，根據(jù)分析結果，針對性選擇支護參數(shù)。

3 圍巖穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值模擬計算方案

該工程利用非線性有限元分析方法，對施工順序和水荷載等進行仿真計算，在計算過程中必須充分考慮灌漿圈和灌漿圈滲透系數(shù)的實際變化情況，對不同工況下水荷載的作用歷史進行分析，具體計算方案見表2。

表2 數(shù)值模擬計算方案

第一種工況如下：初始地應力(0級加載)+初始滲流場(第1級加載)+輔助洞開挖，瞬時滲流力(第2級加載)和輔助洞支護，滲流力(第3級加載)+四條引水洞的開挖，瞬時滲流力(第4級加載)+四條引水洞支護，最終在穩(wěn)定狀態(tài)下滲流力(第5級加載)。

第二種工況如下：完成初始地應力(0級加載)和初始滲流場(第1級加載)+輔助洞開挖并完成支護，滲流力(第2級加載)+四條引水洞的開挖和支護，并進行第3級滲流力的加載。

3.2 計算結果分析

在實際分析中選擇方案(5)進行數(shù)值模擬說明，為證明不同支護時間對圍巖穩(wěn)定性造成的影響，在進行模擬分析過程中應力按照總應力進行分析，位移按照增量位移進行分析。輔助洞開挖完成后，產(chǎn)生的最大垂直位移為2.60cm,產(chǎn)生的最大水平位移為1.20cm[2]。根據(jù)洞室周邊的主應力分布情況可直接分析出因滲流場變化以及地下洞室開挖地應力釋放造成的圍巖應力重新分布基本規(guī)律，此時下拱頂最大應力值為95.52MPa。此外，拱腳和側墻底部也存在應力集中現(xiàn)象，其最大壓應力為94.68MPa。在輔助洞周邊所形成的塑性區(qū)應當控制在3m以內(nèi)。

由于輔助洞噴錨支護完成后其自身只需要承擔第二、三級變量水平荷載，并且和巖體共同承擔，因此，在這種狀態(tài)下巖體所產(chǎn)生的增量位移極小，而支護的應力也比較小[3]。輔助洞支護完后即可進行引水洞的開挖施工，開挖施工時允許的最大水平位移為2.02cm，垂直方向上允許出現(xiàn)的最大位移為4.79cm(見圖1)，塑性區(qū)范圍為3m。

圖1 引水隧洞開挖后σ1分布(單位： kPa)

使用非線性有限元分析法對引水隧洞進行滲控計算和對圍巖以及襯砌支護結構進行科學模擬和計算后，得到如下結論：

a. 由于圍巖和加固復合體屬于地下洞室的核心承載結構，因此，在施工期間要對涌突水段進行超強預注漿處理，并適時進行噴錨支護、二次高壓固結灌漿以及較強透水性襯砌支護，確保隧道圍巖承載力可以達到設計要求并能夠和支護體系聯(lián)合形成承載體，共同承擔外水壓力。

b. 對于涌突水洞段應當采用預注漿施工，將動態(tài)水變?yōu)殪o態(tài)水。二次固結灌漿完成后，隧洞10～15m范圍內(nèi)的巖體會形成具有良好抗?jié)B性的灌漿承載圈，滲透系數(shù)會達到(10-6～10-7)cm/s，可以將具有極高壓力的地下水控制在灌漿圈之外，與此同時輔以透水性較強的襯砌支護，可以保證結構的自身強度和穩(wěn)定性。該結構更能將隧洞施工和運行過程中對水文地質產(chǎn)生的影響降至最低。

c. 由于灌漿圈深度對結構計算的影響主要體現(xiàn)在滲流荷載差異上，因此，當灌漿圈的深度產(chǎn)生變化后會對自身承受的滲流荷載產(chǎn)生較大的影響，而對襯砌、圍巖的位移和支護應力影響不大。一般來說，灌漿圈的深度主要是由耐久性滲流比降、塑性區(qū)范圍、施工能力決定的，因此，建議將超強預注漿深度控制在15m以上，將涌突水洞段的二次高壓固結灌漿深度控制在10～15m。

d. 在隧洞中形成的混凝土襯砌其自身并不承擔因為隧道開挖和初始地應力釋放調(diào)整所產(chǎn)生的圍巖壓力和外水壓力，僅僅起到減少粗糙率，保證圍巖不再受到水流沖刷和腐蝕，最終為圍巖灌漿提供表面封閉層的基本作用。為了避免外水對襯砌結構造成巨大破壞，必須保證襯砌自身具有良好的滲透性，即襯砌和灌漿之后的圍巖滲透系數(shù)應當接近[4]。

e. 為了保證分析結果具有代表性，在滲控和結構分析過程中主要選擇最為不利的斷面進行分析。但事實上隧洞中的絕大多數(shù)圍巖都是完整的，而天然巖體的滲透系數(shù)本來就很小，因此絕大多數(shù)隧洞路段并不需要進行二次高壓固結灌漿，只需要對涌水洞段、圍巖存在滲水段、開挖后存在滲漏的洞段進行二次高壓固結灌漿。

4 支護設計

4.1 支護設計基本思路

a. 引水隧洞支護根據(jù)圍巖承載受力情況進行設計，最大限度發(fā)揮圍巖承載力，采用二次高壓固結灌漿和噴錨支護等措施對圍巖進行加固，最終促使圍巖和噴錨支護組合成為聯(lián)合承載結構。

b. 隧洞涌突水地段應當通過輔助洞施工或者超前鉆探，并采取預注漿的方式對其進行封堵。巖面滴水地段或者涌水量不大的地段，采用后灌漿以及引排水處理的措施進行處理，然后對隧洞進行襯砌支護和二次高壓固結灌漿處理，提升圍巖的抗?jié)B性和承載力。

c. 巖爆強度較低時，隧洞初期的支護可以采取隨機錨桿支護，但當巖爆強度極大時，則應當鉆設應力釋放孔，必要時可采取預應力錨桿和噴鋼纖維混凝土聯(lián)合支護的方式對其進行防護。

d. 在Ⅲ類圍巖地段巖體整體性較差的情況下，開挖之后圍巖會產(chǎn)生一定的塑性變形，在初始階段不經(jīng)過支護可能產(chǎn)生局部塌方或者塑性破壞。而該類地段圍巖節(jié)理和溶蝕裂縫不斷發(fā)育，在這種狀態(tài)下往往會存在滴水和線狀水以及較大面積的滲水現(xiàn)象，而溶蝕裂隙較為發(fā)育的洞段則會出現(xiàn)大量涌水現(xiàn)象[5]。在隧洞頂拱和兩側應當借助長度為4.5～6.0m的系統(tǒng)錨桿以及噴鋼纖維混凝土進行支護。對可能產(chǎn)生巖爆的地段，則應當適當增加錨桿密度，增加噴層的基本厚度。

e. Ⅳ類圍巖地段指的是巖體破碎的堅硬巖體或者巖體完整的軟巖地段，軟巖和較軟巖容易產(chǎn)生塑性變形，脆性巖自穩(wěn)時間短，圍巖很容易出現(xiàn)大面積垮塌的情況[6]。因此，在開挖隧道時使用鋼格柵、超前錨桿、噴鋼纖維混凝土、系統(tǒng)錨桿進行支護，永久性襯砌支護采用50cm厚模鑄鋼筋混凝土襯砌。

4.2 支護設計

4.2.1 隧道初期支護參數(shù)初擬設定

根據(jù)上述設計思路、隧洞沿線地層巖性及圍巖類別的差別，擬定引水隧洞初期支護參數(shù)和支護的基本范圍(見圖2、圖3)。采用長度為6m、直徑25mm的超前預應力錨桿進行支護，噴射鋼筋纖維混凝土，噴射厚度為10cm，應力釋放孔直徑為48mm,長度為3m。

圖2 初期支護典型圖(Ⅱ類圍巖，超高應力區(qū))

圖3 初期支護典型圖(Ⅴ類圍巖)

4.2.2 隧洞永久襯砌結構的型式初擬

圖4 隧洞襯砌典型圖(Ⅱ類、Ⅲ類圍巖)

圖5 隧道襯砌典型圖(Ⅴ類圍巖)

初期擬定的不同圍巖類別永久襯砌的結構型式存在一定差別，隧洞典型襯砌支護斷面見圖4、圖5。Ⅱ類和Ⅲ類圍巖隧洞采用C25鋼筋混凝土進行襯砌，襯砌厚度為50cm，Ⅴ類圍巖襯砌設計時配雙層筋，襯砌厚度為85cm。

5 結 語

良灣水電站由于其地形、地勢因素，引水隧洞圍巖結構相對穩(wěn)定。該工程引水隧洞襯砌采用的是針梁式全圓臺車施工方案，該方案與施工現(xiàn)場具體情況一致。需要提高方案設計的科學性和合理性，施工期間確保圍巖結構的穩(wěn)定性，同時，在施工中做好排水工作，全面準確掌握支護型式及具體參數(shù)，充分發(fā)揮其指導作用。

[1] 朱維申，何滿潮.復雜條件下圍巖穩(wěn)定性與巖石動態(tài)施工力學[M].北京：科學出版社，1996.

[2] DL 5077—1997 水工建筑物荷載設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，1998.

[3] SL 303—2004 水利水電工程施工組織設計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社.2004.

[4] 孫金庫，冉懋鴿. 科卡科多水電站引水隧洞灌漿加固方法[J].中國水能及電氣化，2014(12)：15-18.

[5] 胡連興，鐘登華，佟大威.不良地質條件下長距離引水隧洞施工全過程進度仿真與實時控制研究[J].巖土工程學報，2012(3):497-504.

[6] 項慶偉，徐景偉.長有壓引水隧洞設計初探[J].四川水力電，2007(2):86-89.

Stability Analysis and Support Design of Surrounding Rock of Diversion Tunnel of Hydropower Station

WEI Aisi

(SurveyandDesignResearchInstituteofHechiWaterConservancyandElectricPowerofGuangxiZhuangAutonomousRegion,Hechi547000,China)

The diversion tunnel construction of hydropower project has long excavation route, large engineering quantity and large excavation tunnel diameter with features. Besides, gushing mud, gushing water, collapse and other accidents are more likely to occur in the construction process affected by unfavorable geology. Taking the diversion tunnel of Liang wan hydropower station as an example, this paper carries out the calculation, analysis and demonstration of surrounding rock stability and designs the initial support scheme of surrounding rock, which can be regarded as an effective reference for the construction of tunnel structure.

hydropower station; diversion tunnel; surrounding rock stability; support design

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.01.017

TV732

B

1673-8241(2017)01- 0060- 04