阿不都拉水庫(kù)發(fā)電隧洞圍巖穩(wěn)定性分析

張 明

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830001）

1 工程概況

阿不都拉水庫(kù)位于塔城市東北部的阿不都拉河中上游基巖山區(qū)河段上。阿不都拉河發(fā)源于塔爾巴哈臺(tái)山東段南坡，多年平均徑流量為1.018 億m3，是塔城境內(nèi)額敏河的第二大支流。水庫(kù)距塔城市約40 km，壩址位于阿不都拉河出山口上游2.1 km 處。隧洞布置于左壩肩山體中，由上游進(jìn)口段、上游洞身段、閘井段、下游洞身段、出口明渠段及消能段組成，全長(zhǎng)692.00 m（洞身段長(zhǎng)635.00 m），進(jìn)口分上、下兩個(gè)，上部進(jìn)口高程972.24 m，下部進(jìn)口高程952.10 m。

2 發(fā)電隧洞建筑物工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

1）樁號(hào)0+000～0+010 為發(fā)電洞進(jìn)口段，樁號(hào)0+085～0+101 為發(fā)電洞出口段，巖性均為青灰色凝灰質(zhì)砂巖，呈強(qiáng)風(fēng)化狀，巖石產(chǎn)狀為：325°NE∠83°，結(jié)構(gòu)呈中厚層狀或大塊狀，圍巖頂部張性裂隙發(fā)育，節(jié)理裂面十分發(fā)育，貫穿張裂，不穩(wěn)定，泥質(zhì)充填，滴水嚴(yán)重，時(shí)有掉塊現(xiàn)象，硬質(zhì)巖石。圍巖類別為V 類。建議120 mm～150 mm 厚鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，設(shè)置1.5 m～2.0 m 長(zhǎng)的錨桿，采用仰拱，必要時(shí)，加設(shè)鋼架。

2）樁號(hào)0+010～0+025、0+033～0+070 段，巖性為下泥盆統(tǒng)塔爾巴哈臺(tái)組下亞組灰黑色凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖，巖石產(chǎn)狀為320°NE∠83°，厚層狀- 巨厚層狀，層理不明顯，巖體呈強(qiáng)風(fēng)化狀～新鮮基巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚度3 m～4 m，弱風(fēng)化層厚度3.5 m～5 m。該段節(jié)理裂隙發(fā)育，多呈擠壓破碎帶，寬0.3 m～1.0 m，硅質(zhì)充填，地下水活動(dòng)輕微，沿巖體結(jié)構(gòu)面有滴水現(xiàn)象。圍巖類別為IV 類。建議80 mm～100 mm 厚噴射混凝土，設(shè)置1.5 m～2.0 m 長(zhǎng)的錨桿。

3）樁號(hào)0+025～0+033、0+070～0+085 段，巖性為下泥盆統(tǒng)塔爾巴哈臺(tái)組下亞組灰黑色凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖，巖石產(chǎn)狀為320°NE∠83°，堅(jiān)硬巖為主，弱- 微風(fēng)化，圍巖短時(shí)間之內(nèi)穩(wěn)定，洞頂部見(jiàn)有平緩巖層及節(jié)理裂隙，局部易坍塌掉塊，巖體完整性較好，地下水活動(dòng)輕微，沿巖體結(jié)構(gòu)面方向見(jiàn)有滲水現(xiàn)象，圍巖類別為Ⅲ類。建議50 mm厚噴射混凝土，設(shè)置1.5 m～2.0 m長(zhǎng)的錨桿。

3 發(fā)電隧洞圍巖穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)對(duì)阿不都拉水庫(kù)發(fā)電隧洞工程地質(zhì)條件的分類評(píng)價(jià)，選取了最容易發(fā)生事故和對(duì)圍巖穩(wěn)定性要求高的地帶，出口段或臨近出口段等均采用鉆爆法施工掘進(jìn)，對(duì)支護(hù)的要求較高，因此本次選取了發(fā)電隧洞近出口段埋深約130 m 左右的Ⅳ類圍巖中的典型剖面，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析。根據(jù)該工程的實(shí)際情況，將實(shí)際研究的出口段隧洞簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變模型；采用Midas 軟件，本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性材料，強(qiáng)度準(zhǔn)則按照摩爾- 庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則；采用植入式梁?jiǎn)卧M噴射混凝土、鋼拱架，不考慮節(jié)點(diǎn)耦合；采用植入式桁架模擬錨桿。地表面設(shè)置為自由邊界，左右兩側(cè)設(shè)置為水平方向（X 方向）的約束，底部采用垂直方向（Y 方向）的約束。計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算模型

根據(jù)隧洞出口段或臨近出口段的圍巖類型和特征以及所采取的支護(hù)方案，并結(jié)合地勘報(bào)告提供的地質(zhì)參數(shù)，Ⅳ類圍巖計(jì)算參數(shù)如表1 所示，噴錨支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 計(jì)算參數(shù)

表2 噴錨支護(hù)計(jì)算參數(shù)

3.2 圍巖穩(wěn)定性分析

采用Midas 軟件，對(duì)發(fā)電隧洞近出口段埋深約130 m 左右的Ⅳ類圍巖在開(kāi)挖后和支護(hù)后的位移、主應(yīng)力、塑性區(qū)及屈服深度，還有噴射混凝土主應(yīng)力和錨桿軸力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖2～6，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2.1 圍巖位移分析

圖2 垂直方向圍巖位移分布圖

由圖2 可知：在隧洞開(kāi)挖后，圍巖會(huì)向臨空面的回彈，在隧洞頂部和底部的位移變化最大，而兩側(cè)的變化較小，其中：支護(hù)前隧洞頂部圍巖的最大位移為1.36 cm，支護(hù)前隧洞底部圍巖的最大位移為1.25 cm；在隧洞支護(hù)后，圍巖的回彈變形量有明顯的減小，位移變化最大的部位仍在隧洞的頂部和底部，其中：支護(hù)后隧洞頂部圍巖的最大位移為0.81 cm，支護(hù)前隧洞底部圍巖的最大位移為0.74 cm。由此可見(jiàn)，支護(hù)對(duì)隧洞開(kāi)挖后圍巖的回彈變形量有較好的控制作用，在該處可使圍巖變形量減小40%左右，效果明顯。

3.2.2 圍巖主應(yīng)力分析

圖3 圍巖主應(yīng)力分布圖

由圖3 可知：由于隧洞埋深在130 m 左右，地表對(duì)隧洞圍巖的影響較小。在隧洞開(kāi)挖后，圍巖中應(yīng)力發(fā)生了重新分布，在隧洞表面及向圍巖內(nèi)一定范圍內(nèi)出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，在圍巖臨隧洞的表層，其壓應(yīng)力在0.95 MPa～1.20 MPa 之間變化，最大壓應(yīng)力為1.20 MPa；在隧洞錨噴支護(hù)后，圍巖臨隧洞的表層，其壓應(yīng)力在0.71 MPa～0.93 MPa 之間變化，最大壓應(yīng)力為0.93 MPa。由此可見(jiàn)，支護(hù)可使隧洞開(kāi)挖后圍巖表層及周圍的壓應(yīng)力有所減小，使圍巖的整體強(qiáng)度有所增加，但主應(yīng)力在開(kāi)挖前后變化不大，減小幅度在1/4～1/5 之間。

3.2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圖4 噴射混凝土及鋼拱架主應(yīng)力分布圖

圖5 錨桿軸力分布圖

由圖4 和圖5 可知：支護(hù)結(jié)構(gòu)中的噴射混凝土及鋼拱架基本均處于受壓狀態(tài)，其最大主應(yīng)力為5.45 MPa,；錨桿均處于受拉狀態(tài)，其最大軸力約為22 kN，小于錨桿的最大允許應(yīng)力，是安全的。

3.2.4 圍巖塑性區(qū)分析

圖6 圍巖塑性區(qū)分布圖

由圖6 可知：在隧洞開(kāi)挖后，圍巖中塑性區(qū)較大，易發(fā)生張剪破壞；而在隧洞錨噴支護(hù)后，圍巖塑性區(qū)的范圍明顯減小，此時(shí)圍巖屈服區(qū)在隧洞頂部的深度為1.63 m，在隧洞左右兩幫的深度分別為0.75 m 和0.77 m，在隧洞底部的深度為1.52 m，均小于錨桿的長(zhǎng)度2.50 m，均在支護(hù)范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

根據(jù)隧洞出口段或臨近出口段的圍巖類型和特征以及所采取的支護(hù)方案，并結(jié)合地勘報(bào)告提供的地質(zhì)參數(shù)，采用Midas 軟件，建立了埋深約130 m 左右的Ⅳ類圍巖發(fā)電隧洞開(kāi)挖支護(hù)數(shù)值模型，對(duì)該隧洞開(kāi)挖后和支護(hù)后的位移、主應(yīng)力、塑性區(qū)及屈服深度，還有噴射混凝土主應(yīng)力和錨桿軸力進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明采取的支護(hù)設(shè)計(jì)方案是合理的，支護(hù)后的圍巖是穩(wěn)定的，支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)可以滿足要求。