西藏某水電站導(dǎo)流隧洞塌方過程與穩(wěn)定性分析

摘 要：【目的】為了確定水電站導(dǎo)流隧洞塌方段的安全性，需要對(duì)塌方段施工期、運(yùn)行期的穩(wěn)定性及相應(yīng)處理措施進(jìn)行研究?！痉椒ā恳晕鞑啬乘娬緸榈湫桶咐?，結(jié)合其導(dǎo)流隧洞塌方過程進(jìn)行分析，通過計(jì)算最小巖體覆蓋厚度、相鄰隧洞最小圍巖厚度和襯砌結(jié)構(gòu)配筋等3個(gè)指標(biāo)來分析隧洞塌方段運(yùn)行期的穩(wěn)定性?！窘Y(jié)果】計(jì)算得出，1號(hào)導(dǎo)流隧洞塌方段巖體實(shí)際厚度大于理論最小圍巖覆蓋厚度，相鄰隧洞最小圍巖厚度大于2倍開挖洞徑（洞寬），實(shí)際配筋面積大于理論配筋面積?！窘Y(jié)論】在水電站導(dǎo)流隧洞設(shè)計(jì)施工過程中，通過3個(gè)指標(biāo)的計(jì)算分析表明該隧洞滿足施工期和運(yùn)行期的穩(wěn)定性要求。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)流隧洞；隧洞塌方；穩(wěn)定性分析；圍巖厚度；襯砌配筋

中圖分類號(hào)：TV223.4；TV672.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）21-0049-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.010

Collapse Process and Stability Analysis of Diversion Tunnel of

a Hydropower Station in Xizang

QIN Bo1 DAI Yuchen2 FAN Yanghui1

（1.Huadong Engineering （Fujian） Corporation Limited， Fuzhou 350003， China;

2.Power China Huadong Engineering Corporation， Hangzhou 311122， China）

Abstract： [Purposes] In order to investigate the safety of the collapsed section of hydropower station diversion tunnels， it is necessary to study the stability of the collapsed section during the construction and operation periods and the corresponding treatment measures. [Methods] Taking a hydropower station in Xizang as a typical case and analyzing the collapse process of its diversion tunnel， the stability of the collapsed section of the tunnel during the operation period was analyzed by calculating the three indexes of minimum rock cover thickness， minimum surrounding rock thickness of adjacent tunnels， and reinforcement of the lining structure. [Findings] Calculations show that the actual thickness of the rock body in the collapsed section of No.1 diversion tunnel is greater than the theoretical minimum perimeter rock cover thickness， the minimum perimeter rock thickness of the neighboring tunnels is greater than two times the excavation diameter （hole width）， and the actual reinforcing area is greater than the theoretical reinforcing area. [Conclusions] In the process of designing and constructing the diversion tunnel of the hydropower station， the calculation and analysis of three indicators show that the tunnel meets the stability requirements during the construction and operation periods.

Keywords： deversion tunnel; tunnel collapse; stability analysis; surrounding rock thickness; lining reinforcement

0 引言

西南山區(qū)水電工程在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，是我國(guó)重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)設(shè)施［1-2］。我國(guó)擁有豐富的河流資源和水電資源，水電蘊(yùn)藏量大、水電工程建設(shè)能力和百萬千瓦級(jí)水電機(jī)組成套設(shè)計(jì)制造能力強(qiáng)，水電工程建設(shè)技術(shù)已達(dá)先進(jìn)水平［3-4］。

某河流是我國(guó)現(xiàn)階段以及未來水電開發(fā)的重點(diǎn)河流之一，其干流中游SR至JC峽谷段水能資源豐富，共規(guī)劃5級(jí)水電站，總裝機(jī)容量約為282萬kW。目前，其中游的DG水電站、ZM水電站已逐步進(jìn)入投產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)［3］。本文的研究對(duì)象某水電站便位于DG水電站和ZM水電站之間。

導(dǎo)流隧洞是水電站的重要建筑物，其主要作用是引導(dǎo)水流到水輪機(jī)發(fā)電。然而，受地質(zhì)條件、地形地貌的影響，越來越多的河段采用全斷面截流、隧洞導(dǎo)流方式。同時(shí)，為保證工程效益和機(jī)組提前發(fā)電等建設(shè)要求，導(dǎo)流隧道的結(jié)構(gòu)必須滿足過流量大、水頭高和封堵期間外部水壓高的需求，因此導(dǎo)流隧洞的結(jié)構(gòu)尺寸越來越大，導(dǎo)致導(dǎo)流隧洞塌方的風(fēng)險(xiǎn)越來越高［5-7］。導(dǎo)流隧洞圍巖覆蓋厚度較薄，在開挖施工過程中，如果支護(hù)措施不力或者支護(hù)時(shí)機(jī)不當(dāng)，都將影響導(dǎo)流隧洞的穩(wěn)定［8］。因此，對(duì)導(dǎo)流隧洞的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評(píng)估，是水電站建設(shè)和運(yùn)行中必不可少的環(huán)節(jié)。李志偉［9］就某輸水隧洞塌方事故原因進(jìn)行分析，并提出具有針對(duì)性的處理方案，取得了良好的效果，為防止類似事故的發(fā)生提供了參考。李成龍［10］以陜西省某輸水隧道為例，采用大氣降水滲入估算等方法，提出了“堵+排”的方式，優(yōu)化了隧洞混凝土襯砌施工，一定程度上降低了隧洞滲水坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

本研究通過分析導(dǎo)流隧洞塌方后的應(yīng)急處理措施及塌方段施工期、運(yùn)行期的穩(wěn)定性，計(jì)算塌方段最小巖體覆蓋厚度，判斷隧洞塌方段相鄰隧洞最小圍巖厚度的合規(guī)性，為導(dǎo)流隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工提出合理建議。

1 工程概況

某河流中游某水電站，是該河流干流中游WK河口至LX縣城河段規(guī)劃8級(jí)開發(fā)的第3級(jí)電站。該工程壩址左岸有S508省道通過，項(xiàng)目對(duì)外交通條件較為便利。

該水電站為二等大（2）型工程，擋水、泄洪、引水及廠房等主要建筑物按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。該水電站工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，電站裝機(jī)容量為600 MW（3×200 MW），多年平均發(fā)電量28.347億kW?h。

大壩、廠房施工導(dǎo)流采用全年斷流圍堰、隧洞過流的導(dǎo)流方式。兩條導(dǎo)流隧洞布置在右岸，平面上呈雙彎段布置，中心線間距為50～80 m。隧洞采用城門洞型斷面，襯后斷面尺寸為15 m×17 m（寬×高）。

2 塌方應(yīng)急處理及施工期穩(wěn)定性分析

2.1 塌方過程及應(yīng)急處理措施

2022年1月24日至2023年3月9日，1號(hào)導(dǎo)流隧洞（以下簡(jiǎn)稱1#導(dǎo)）共發(fā)生3次塌方，分別發(fā)生在1#導(dǎo)0+404至1#導(dǎo)0+406段、1#導(dǎo)0+406至1#導(dǎo)0+415段、1#導(dǎo)0+418至1#導(dǎo)0+426段，最大塌方高度分別為1.0 m、3.2 m和5.0 m。塌方穩(wěn)定后，采取預(yù)應(yīng)力錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土、鋼拱架等措施進(jìn)行處理。

2.2 施工期穩(wěn)定性分析

為了保證隧洞塌方段施工過程的安全性，在隧洞不同位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。具體來說，在1#導(dǎo)0+420處設(shè)置多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)，具體布置形式如圖1、圖2所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，絕大部分錨桿應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值偏小，僅Asdld-420-3的3號(hào)測(cè)點(diǎn)受下層開挖爆破影響變化值較大，在增設(shè)隨機(jī)錨桿后，應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定。多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，塌方段整體位移較小，未見異常，證明塌方段在施工過程中是穩(wěn)定的。

3 塌方段運(yùn)行期穩(wěn)定性分析

為了保證隧洞運(yùn)行期的安全性，需要對(duì)隧洞運(yùn)行期的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。因此，通過計(jì)算塌方段最小巖體覆蓋度、相鄰隧洞最小圍巖厚度和襯砌配筋等3個(gè)指標(biāo)，來對(duì)隧洞運(yùn)行期的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.1 塌方段最小巖體覆蓋厚度分析

1#導(dǎo)0+428.82處巖體厚度示意如圖3所示，不考慮頂部覆蓋層厚度，根據(jù)基巖線分布位置可知，1#導(dǎo)頂部基巖最薄處在1#導(dǎo)0+428.82段，最薄基巖厚度為20.48 m，垂直巖體厚度為35.40 m。1#導(dǎo)0+413.29處巖體厚度示意如圖4所示，塌方段樁號(hào)分布為1#導(dǎo)0+404至1#導(dǎo)0+426，該段巖體頂部厚度大于20.48 m，最薄為21.20 m，樁號(hào)為1#導(dǎo)0+413.29，兩條導(dǎo)流隧洞間巖體厚度為35.00 m。

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 10391—2020），圍巖實(shí)際最小厚度應(yīng)取1#導(dǎo)0+428.82處巖體厚度，具體為20.48 m。采用挪威準(zhǔn)則對(duì)不襯砌有壓隧洞圍巖覆蓋厚度進(jìn)行計(jì)算，具體見式（1）。

[CRM=?sγwFγRcosα] （1）

式中：CRM為巖體最小覆蓋厚度，m；hs為洞內(nèi)靜水壓力水頭，m；γw為水的重度，N/mm3，本次計(jì)算取1；F為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取1.30～1.50，地質(zhì)情況較差時(shí)取高值，本次計(jì)算取1.50；γR為巖體重度，N/mm3，本次計(jì)算取2.6；α為地表巖體坡角°，α大于60°時(shí)取60°，本次計(jì)算取44°。

1#導(dǎo)0+428.82處底板高程z1為3 307.60 m，低于1#導(dǎo)0+413.29處的高程z2為3 307.72 m，從不利工況角度考慮，洞內(nèi)靜水壓力水頭應(yīng)取1#導(dǎo)0+428.82處的靜水壓力水頭。計(jì)算工況為全年20 a一遇洪水流量Q為9 250 m3/s，該流量下1#導(dǎo)流隧洞分流量Q1為4 682.37 m3/s，導(dǎo)流隧洞進(jìn)口水位z3為3 353.73 m。

1號(hào)導(dǎo)流隧洞長(zhǎng)為756.25 m，底坡度為0.79%。隧洞布置兩段圓弧，圓弧半徑均為100 m，轉(zhuǎn)角分別為42.6°和30.4°，隧洞斷面積為236.11 m2。

隧洞斷面的損失系數(shù) [ξ] 的計(jì)算見式（2）。

[ξ=2glC2R] （2）

式中：ξ為隧洞斷面的損失系數(shù)；l為洞長(zhǎng)；R為滿流時(shí)的水力半徑；C為舍齊系數(shù)。

通過計(jì)算可得，1#導(dǎo)0+428.82處沿程水頭損失系數(shù)ξ1為0.22；進(jìn)口局部的損失系數(shù)ξ2為0.1；進(jìn)口閘門槽局部損失系數(shù)ξ3為0.05；彎道段局部損失系數(shù)ξ4為0.09（有壓段僅經(jīng)過1轉(zhuǎn)彎段）。

1#導(dǎo)0+428.82處流速水頭hv、總水頭h和靜水水頭hs的計(jì)算見式（3）至式（5）。

[?v=Q1ω22g] （3）

[?=z3?z1?ξ1+ξ2+ξ3+ξ4×?v] （4）

[?s=???v] （5）

以上式中：Q1為20 a一遇洪水流量下1#導(dǎo)流隧洞分流量；z1為1 #導(dǎo)0+428.82處底板高程；z3為導(dǎo)流隧洞進(jìn)口水位；[ω]為隧洞斷面積。

通過計(jì)算可得，1#導(dǎo)0+428.82處總水頭h和流速水頭hv分別為36.88 m和20.07 m；靜水水頭hs為16.81 m。進(jìn)而得出不襯砌有壓隧洞圍巖覆蓋厚度CRM為13.48 m，小于實(shí)際圍巖最薄厚度20.4 8 m。因此，最小圍巖覆蓋厚度滿足安全要求。

3.2 相鄰隧洞最小圍巖厚度分析

根據(jù)水工隧洞經(jīng)常出現(xiàn)多條平行布置或空間交叉的隧洞，為保證施工安全或避免施工相互影響，并保證各條隧洞運(yùn)行期的安全，隧洞之間巖體需要有足夠的厚度。根據(jù)地形地質(zhì)條件、圍巖的應(yīng)力和變形情況、隧洞的斷面形狀和尺寸、施工方法、運(yùn)行及檢修條件等因素，參考工程經(jīng)驗(yàn)，一般不小于洞徑較小者的兩倍開挖洞徑（洞寬）。

該工程1號(hào)導(dǎo)流隧洞和2號(hào)導(dǎo)流隧洞相鄰巖體厚度為35 m，塌方段采用F2型開挖支護(hù)，水平開挖洞徑為16.7 m，最小圍巖厚度大于兩倍開挖洞徑。因此，該隧洞塌方段相鄰隧洞最小圍巖厚度滿足安全要求。

3.3 襯砌配筋分析

塌方段采用F2型支護(hù)，根據(jù)配筋計(jì)算，以內(nèi)水壓力為21.68 m時(shí)計(jì)算理論配筋面積和實(shí)際采用配筋見表1。

由表1可知，塌方段襯砌實(shí)際配筋面積大于理論配筋面積，且配筋計(jì)算采用的內(nèi)水壓力為21.68 m，大于塌方段理論計(jì)算內(nèi)水壓力16.81 m。因此，塌方段襯砌結(jié)構(gòu)整體安全滿足要求。

3.4 運(yùn)行期穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述計(jì)算，1號(hào)導(dǎo)流隧洞塌方段最小圍巖覆蓋厚度要求為13.48 m，實(shí)際圍巖最小厚度為20.48 m，最小圍巖覆蓋厚度滿足規(guī)范要求，且挪威準(zhǔn)則針對(duì)的是不襯砌有壓隧洞，1號(hào)導(dǎo)流隧洞為襯砌有壓隧洞，圍巖所受靜水壓力實(shí)際上小于襯砌所受靜水壓力，圍巖最小覆蓋厚度要求理論上應(yīng)小于13.48 m，此情況可作為安全余度考慮。同時(shí)，相鄰隧洞最小圍巖厚度滿足規(guī)范要求。襯砌結(jié)構(gòu)實(shí)際配筋大于理論配筋，襯砌結(jié)構(gòu)整體安全能得到保證。

因此，在圍巖厚度滿足要求，襯砌結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定時(shí)，且后期采用回填混凝土、回填灌漿和固結(jié)灌漿等措施保證洞室上部塌方空腔密實(shí)的前提下，塌方段運(yùn)行期穩(wěn)定性能夠滿足安全要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究以某河流中游某電站導(dǎo)流隧洞為例，對(duì)隧洞的塌方處理措施及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

①1號(hào)導(dǎo)流隧洞塌方段采取了應(yīng)急處理和布設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿等措施，并設(shè)置錨桿應(yīng)力計(jì)和多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，施工期的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明其在施工期滿足安全要求。

②根據(jù)挪威準(zhǔn)則計(jì)算得出的1號(hào)導(dǎo)流隧洞塌方段最小圍巖覆蓋厚度為13.48 m，該處巖體實(shí)際厚度為20.48 m；同時(shí)，塌方段相鄰隧洞最小圍巖厚度35 m大于2倍開挖洞徑（洞寬）33.4 m，滿足隧洞運(yùn)行期的安全要求。

③塌方段襯砌實(shí)際配筋面積大于理論配筋面積，襯砌結(jié)構(gòu)滿足運(yùn)行期安全要求。

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