水電站施工中地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析

嚴(yán)凱

摘 要：在水電站工程施工過程中，地下洞室過程中，為了保證施工質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)展開水電站地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析。文章以實(shí)際工程為例，對(duì)水電站施工中地下洞室圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，以期優(yōu)化施工效果。

關(guān)鍵詞：水電站施工；地下洞室；圍巖穩(wěn)定性

1 前言

隨著水電開發(fā)技術(shù)的日益成熟，大型水電樞紐工程的開發(fā)與建設(shè)受地區(qū)地形條件限制，多采用地下廠房式布置，進(jìn)而形成了規(guī)模巨大的地下廠房洞室群，其洞室高邊墻及洞室之間圍巖的穩(wěn)定性成為工程建設(shè)中成敗的關(guān)鍵因素。

2 地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析概述

地下洞室的穩(wěn)定性課題屬于一項(xiàng)非線性力學(xué)問題，較為復(fù)雜，一般而言具有非均勻性、非連續(xù)性變形以及大位移等特征。圍巖穩(wěn)定性的主要影響因素主要包括兩個(gè)方面：天然地質(zhì)條件以及工程因素。天然地質(zhì)條件方面涉及到初始地應(yīng)力場(chǎng)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水情況、圍巖結(jié)構(gòu)等；工程因素涵蓋了洞室實(shí)際情況、洞室開挖施工、支護(hù)形式等。

近年來，巖石力學(xué)理論以及測(cè)試技術(shù)不斷發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)以及有限元方法得到了推廣和應(yīng)用，再加上科研工作者堅(jiān)持不懈的努力，涌現(xiàn)出了許多新的研究方法，在巖體構(gòu)造以及力學(xué)特征、地下圍巖不穩(wěn)定機(jī)理以及支護(hù)受力機(jī)制方面的研究，新設(shè)計(jì)理論以及方法等方面的研討都取得了可喜的成果，為地下圍巖的穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)提供了支持和途徑。然而作為地下工程的根源問題之一的圍巖失穩(wěn)分析，現(xiàn)階段尚沒有構(gòu)成統(tǒng)一理論，針對(duì)地下圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，主要是通過分析與考慮具體的地質(zhì)條件和工程的情況要求，結(jié)合多種方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，因此有必要總結(jié)目前的地下洞室穩(wěn)定性分析，以助力工程實(shí)踐中可以進(jìn)行科學(xué)判斷。

3 地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析思路

洞室圍巖穩(wěn)定性分析是多學(xué)科理論方法、專家經(jīng)驗(yàn)、監(jiān)測(cè)量與計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合集成的科學(xué)。洞室失穩(wěn)是一個(gè)極其復(fù)雜的力學(xué)過程，在實(shí)際工程中更是受到了許多因素的影響。通常伴隨著非均勻性、非連續(xù)性變形和大位移，是一個(gè)高度非線性的問題。

洞室圍巖的穩(wěn)定性與洞室開挖過程中應(yīng)力的分布情況和圍巖的強(qiáng)度有著直接的關(guān)系，而且應(yīng)力的分布情況與洞室初始應(yīng)力的基本特征、洞室斷面的形狀有著密切的關(guān)系。初始應(yīng)力的大小和方向直接決定著洞室?guī)r體的變形程度和穩(wěn)定性。通過試驗(yàn)得出結(jié)論，在應(yīng)力較小的范圍內(nèi)，圍巖的變形情況、穩(wěn)定性具有塌滑的特征，也就是洞室頂部掉塊現(xiàn)象比較頻繁；在應(yīng)力較大的范圍內(nèi)，主要表現(xiàn)為塑形變形現(xiàn)象或者巖爆現(xiàn)象。在高應(yīng)力地區(qū)完整的巖體中，由于巖體受到地殼運(yùn)動(dòng)的影響，聚合著較大的彈性應(yīng)變力，形成高強(qiáng)度的初始應(yīng)力。一旦開始開挖工作，無法確定出邊界點(diǎn)，并且在高應(yīng)力的影響下，巖塊會(huì)受到破壞，從而出現(xiàn)“巖爆”現(xiàn)象。

4 水電站施工中地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析

某水電站是下游河段梯級(jí)開發(fā)的最上游一級(jí)電站。江河洪水流量較大，泄洪建筑物規(guī)模較大，而發(fā)電水頭相對(duì)較小，引用流量大，廠房的規(guī)模較大（最大跨度27.4m）。壩址河谷較狹窄，左岸地質(zhì)條件較差，經(jīng)綜合比較選擇右岸地下廠房方案。地下廠房區(qū)三大洞室圍巖為白堊系下統(tǒng)景星組下段變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖夾灰白色石英砂巖。

4.1 洞室群穩(wěn)定性勘察研究

前期針對(duì)電站可能布置的地下洞室區(qū)展開詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查，宏觀的分析地質(zhì)環(huán)境，初步認(rèn)識(shí)巖性、構(gòu)造以及地應(yīng)力、巖體的物理力學(xué)特點(diǎn)，結(jié)合樞紐建設(shè)要求，初步確定地下廠房位置實(shí)施勘探。主要通過勘探平洞、鉆孔、地應(yīng)力測(cè)試等手段進(jìn)行勘探試驗(yàn)?？碧狡蕉床贾眠^程中，在廠房的拱座高程位置沿初期制定的主廠房的軸線實(shí)施，再打支洞到尾水調(diào)壓室，沿初定的尾水調(diào)壓室軸線進(jìn)行平洞揭示。平洞的深度要可以控制與穩(wěn)定兩個(gè)端墻，由此勘探平洞就可以控制三大洞室頂部的地質(zhì)狀況。接著在洞內(nèi)確定合適的位置實(shí)施鉆孔，鉆孔的深度要深入到洞室的底板，這一可以更加全面的了解待開挖洞室的地質(zhì)條件，例如巖體的類別、構(gòu)造發(fā)育以及地下水情況等。通過平洞及鉆孔，能夠較為詳細(xì)的掌握廠區(qū)的地質(zhì)情況。繼而充分的利用勘探平洞采集地質(zhì)資料，包括巖性、地應(yīng)力的表現(xiàn)等，實(shí)施巖體類型的劃分，在此基礎(chǔ)上實(shí)施地應(yīng)力測(cè)試以及巖體物理力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)。

4.2 初始應(yīng)力場(chǎng)特征

地下廠房區(qū)初始應(yīng)力場(chǎng)是一個(gè)以自重為主體，受構(gòu)造影響的中低地應(yīng)力場(chǎng)；主應(yīng)力的值基本上是從上到下逐漸加大，第三主應(yīng)力的方向與廠房縱軸線有較大的交角，第一、二主應(yīng)力的方向與廠房縱軸線交角較小。最大主應(yīng)力：σ1=10-13MPa，方位：N28°-30°E，中間主應(yīng)力：σ2=5-8MPa，方位：N56°E-S82°E，最小主應(yīng)力：σ3=4-6MPa，方位：S3°-44E。其中最大主應(yīng)力方向與廠軸交角<25°，有利于地下廠房洞室的穩(wěn)定。

4.3 開挖后應(yīng)力分布特征

通過反演計(jì)算分析，除了洞室交叉部位和洞室拱座處有應(yīng)力集中現(xiàn)象外，整個(gè)洞室群開挖后圍巖應(yīng)力分布規(guī)律正常，應(yīng)力狀態(tài)良好。地下廠房三大洞室圍巖應(yīng)力分布規(guī)律為：開挖過程中洞周的切向應(yīng)力不斷增加，徑向應(yīng)力變化幅度不大，主變洞的尺寸較小，洞室的高度不大，應(yīng)力分布相對(duì)比較均勻，尾調(diào)室由于其開挖跨度大，洞室高，故應(yīng)力值相對(duì)較大。

4.4 圍巖松弛特征

對(duì)地下洞室圍巖松弛帶厚度確定主要依據(jù)測(cè)試孔單孔聲波法縱波速度曲線中較明顯的拐點(diǎn)判斷，經(jīng)測(cè)試，三大洞室圍巖體松馳圈厚度變化較大，最淺<1m，最深達(dá)4.0m，平均1.7m；松馳圈巖體波速在2150m/s～3810m/s之間變化，平均波速為3440m/s；松馳帶以內(nèi)較完整巖體平均波速為4910m/s。

4.5 圍巖變形總體特征

本區(qū)巖體屬陡傾層狀結(jié)構(gòu)，其物理力學(xué)特性具有明顯的各向異性性，圍巖的變形特征與巖層的產(chǎn)狀密切相關(guān)。在巖層傾向的不同方向，巖體的破壞特性也各不相同，其破壞形式主要表現(xiàn)為拉裂破壞順層滑移和彎折傾倒變形。研究表明，洞室高邊墻的位移隨層面傾角先增大后減小，反傾向一側(cè)的位移在傾角為60°達(dá)到最大，順傾向側(cè)洞周位移要小于反傾向側(cè)的位移。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，三大洞室圍巖變位主要發(fā)生在洞室開挖階段，各點(diǎn)變位過程呈臺(tái)階狀，與洞室分層分段開挖的過程相對(duì)應(yīng)。圍巖基本屬于淺表部卸荷變形，變形主要發(fā)生在圍巖內(nèi)0-7m范圍內(nèi)。受地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的影響，個(gè)別部位在圍巖內(nèi)部7-15m之間有一定變位。頂拱下沉與底板回彈量均較小，頂拱變位一般在2-10mm；邊墻變位較大，特別是邊墻中部變位一般較大，且上游邊墻（反傾向一側(cè)）圍巖變形較下游側(cè)（順傾向一側(cè)）大，其中主廠房上游邊墻圍巖變形和錨固應(yīng)力均較大。圍巖變形普遍在30mm左右，部分點(diǎn)位達(dá)到80mm以上，洞室開挖完成后進(jìn)入應(yīng)力調(diào)整階段，圍巖變位仍有緩慢發(fā)展。

5 結(jié)束語

綜上所述，近些年，關(guān)于巖石的破壞、失穩(wěn)、突變的相關(guān)研究，為圍巖的穩(wěn)定性分析提供了有力的理論方法。伴隨著計(jì)算科學(xué)和有關(guān)學(xué)科的不斷進(jìn)步，其分析和研究結(jié)果將更擁有現(xiàn)實(shí)意義。要想實(shí)現(xiàn)洞室圍巖穩(wěn)定性較為全面、深入的研究，就需要結(jié)合實(shí)際情況，通過利用系統(tǒng)化的理論和方法來進(jìn)行.并且在開展地下洞室穩(wěn)定性識(shí)別判定過程中，務(wù)必參考穩(wěn)定性判據(jù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和可靠數(shù)據(jù)，與此同時(shí)考慮工程中各量測(cè)值的變化情況，從而提高穩(wěn)定性分析的科學(xué)性。

參考文獻(xiàn)：

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