水電站引水隧洞圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)措施

歐勇

摘 要：在修建水電站時，圍巖的穩(wěn)定性不僅影響到工程的施工進(jìn)度，還會對工程的施工成本產(chǎn)生一定的影響。因此，施工單位在開挖引水隧洞時必須要考慮到圍巖穩(wěn)定性的問題，并根據(jù)施工的具體情況采取一定的支護(hù)措施。本文對水電站引水隧洞圍巖穩(wěn)定性的分類、判別標(biāo)準(zhǔn)以及分析方法進(jìn)行了研究，并提出了支護(hù)措施以及降低工程成本的方法。

關(guān)鍵詞：引水隧洞；圍巖穩(wěn)定性分析；支護(hù)措施

前言

隨著我國水利工程的迅速發(fā)展，大型水電站的建設(shè)數(shù)量越來越多，引水隧洞的尺寸也在逐漸增大，因此在施工過程中，對圍巖穩(wěn)定性的要求也越來越高。由于水電站引水隧洞的建設(shè)容易受到地質(zhì)條件、環(huán)境條件等各種因素的影響而發(fā)生質(zhì)量和安全問題，因此對引水隧洞圍巖穩(wěn)定性的分析以及支護(hù)措施的應(yīng)用已經(jīng)成為工程建設(shè)過程中必須要考慮的問題。

1圍巖穩(wěn)定性分類及判別標(biāo)準(zhǔn)

1.1圍巖穩(wěn)定性分類

所謂圍巖的穩(wěn)定性，是指在開挖后不加支護(hù)的情況下圍巖自身的穩(wěn)定程度。根據(jù)不同的地質(zhì)條件，可以將圍巖的穩(wěn)定性劃分為充分穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、暫時穩(wěn)定以及不穩(wěn)定等不同等級。對圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行劃分不僅可以為引水隧洞工程的建設(shè)提供重要的設(shè)計(jì)依據(jù)、施工依據(jù)，還決定了施工中襯砌結(jié)構(gòu)、施工材料、機(jī)具類型的選取。此外，圍巖穩(wěn)定性的分類還是圍巖穩(wěn)定性分析的重要基礎(chǔ)。

1.2圍巖穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)

圍巖穩(wěn)定性的判別標(biāo)準(zhǔn)不僅會受到地質(zhì)條件、圍巖類別因素的影響，同時還會受到施工技術(shù)、支護(hù)方法等因素的影響。因此，對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行判別是比較復(fù)雜的過程，一般會采用以下三種判別標(biāo)準(zhǔn)：一是根據(jù)實(shí)測位移或預(yù)計(jì)的最終位移進(jìn)行判別。當(dāng)工程中測量的位移值超過了某一臨界值，或者預(yù)計(jì)的最終位移值超過臨界值時，這就表明圍巖處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，需要對其采取一定的支護(hù)措施；二是根據(jù)位移變化速率進(jìn)行判別。位移變化速率大于某臨界值時則認(rèn)為圍巖未穩(wěn)定，反之則認(rèn)為圍巖已經(jīng)達(dá)到基本穩(wěn)定；三是根據(jù)位移變形加速度進(jìn)行判別。變形速率不斷下降，表示圍巖趨于穩(wěn)定，支護(hù)是安全的；變形速率長時間保持不變，應(yīng)及時調(diào)整施工程序并加強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)的剛度和強(qiáng)度；變形速率逐漸增加，表示圍巖已達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)，必須立即進(jìn)行加固。

2圍巖穩(wěn)定性分析方法

2.1解析分析法

解析分析法主要是根據(jù)平面上的極坐標(biāo)，通過一定的計(jì)算來對隧洞圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通常情況下解析分析法又分為彈性和彈塑性兩種分析方法。當(dāng)圍巖的巖體完整度較高且其應(yīng)力水平在彈性極限值以內(nèi)時，可采用彈性分析方法對圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析；當(dāng)圍巖的應(yīng)力在不斷變化，并與應(yīng)變呈現(xiàn)出明顯的非線形關(guān)系時，可按彈塑性方法對圍巖進(jìn)行分析。解析法雖然不能準(zhǔn)確地描述圍巖的失穩(wěn)、破壞過程，但大致上仍能對成洞條件做出評價(jià)，對各種洞型方案及處理措施進(jìn)行對比分析。另外，解析法具有精度高、分析速度快和宜于進(jìn)行規(guī)律性研究等優(yōu)點(diǎn)，所以在工程實(shí)踐中仍不失為一種基本的圍巖穩(wěn)定性分析方法。

2.2數(shù)值模擬法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬法主要是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)或者收集到的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，模擬出水電站的引水隧洞模型，從而對模型中的圍巖應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析，最終得出圍巖的具體狀態(tài)。數(shù)值模擬法又可以分為有限元法、邊界元法、離散單元法。首先，有限元法在實(shí)際工程的建設(shè)中應(yīng)用最多。有限元法可以對地下工程巖體的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系作出準(zhǔn)確地分析，并且根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系還可以模擬出巖體的變形和破壞過程。其次，邊界元法只在求解區(qū)域的邊界上進(jìn)行計(jì)算，把域內(nèi)未知量化為邊界未知量來進(jìn)行求解，這樣就使得自由度的數(shù)目大大減少。當(dāng)僅需要知道物體內(nèi)部個別點(diǎn)的解時，邊界元法可以在已知邊界上的解后，根據(jù)需要去求物體內(nèi)部預(yù)知點(diǎn)的解，與有限元法相比既減少了計(jì)算量又節(jié)省了費(fèi)用；最后，離散元法適用于節(jié)理巖體的應(yīng)力分析，不僅可以反映出巖體之間接觸面的滑移、分離與傾覆等情況，還可以對巖體的內(nèi)部變形和應(yīng)力分布進(jìn)行分析。采用離散元法分析裂隙發(fā)育地區(qū)工程的圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)是十分有效的。

3水電站引水隧洞的支護(hù)措施

水電站引水隧洞的施工比較復(fù)雜，而且工期也比較長。引水隧洞的建設(shè)是分段進(jìn)行的，每部分工程完工后都會受到環(huán)境因素或者人為因素的影響，從而發(fā)生安全或者質(zhì)量事故。因此，為了加固已完工的工程，并維持圍巖的穩(wěn)定，確保工程可以繼續(xù)順利的實(shí)施，施工單位必須對隧洞采取一定的支護(hù)措施。目前，常用的引水隧洞支護(hù)措施有混凝土泵隧洞支護(hù)法和新奧法。

3.1混凝土泵隧洞支護(hù)法

混凝土泵隧洞支護(hù)法的主要施工過程就是混凝土的運(yùn)送和澆筑。在運(yùn)送混凝土前，施工人員需要將排氣管、沖天尾管、導(dǎo)管等各種管道進(jìn)行連接，從而形成混凝土的運(yùn)送管道，為混凝土的澆筑作業(yè)做準(zhǔn)備。在進(jìn)行混凝土的澆筑時，施工人員需要將混凝土在壓力擠壓的作用下，澆筑到模板支撐的倉內(nèi)，從而完成混凝土的澆筑工作。在運(yùn)用混凝土泵隧洞支護(hù)法時，施工部門要注意的是：混凝土澆筑到頂拱倉面階段，要撤出滯留在倉里的施工工具，盡可能的將倉面的兩端筑高；混凝土澆筑到與人身高相平時，就要保護(hù)施工人員的安全，將施工人員撤離工作區(qū)；待混凝土孔洞筑澆完成后，要加大泵機(jī)的速率，完成澆筑支護(hù)作業(yè)。

3.2新奧法

新奧法是應(yīng)用巖體力學(xué)理論，以維護(hù)和利用圍巖的自承載能力為基點(diǎn)，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護(hù)手段，使圍巖成為支護(hù)體系的組成部分。在隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)安裝的過程中，施工單位使用新奧法需要注意的是在施工前必須對圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確保隧洞內(nèi)巖石的承載力能夠支撐支護(hù)作業(yè)。新奧法施工主要分為三個部分：光面爆破開挖、錨噴支護(hù)以及圍巖穩(wěn)定狀況檢測。施工單位在了解了巖體具體情況后，便可以在隧洞的開挖、支護(hù)階段，充分利用巖體在隧洞挖掘過程中發(fā)生的形變，并適當(dāng)運(yùn)用帶有加固作用的材料、工具對巖體進(jìn)行加固，使得整個受到加固的圍巖具備抵抗外力沖擊的能力，為整個隧洞工程的開挖提供保護(hù)作用，以此來達(dá)到工程施工部門保護(hù)隧洞的目的。

4如何降低引水隧洞工程的施工成本

首先，在引水隧洞的開挖前，施工人員需要根據(jù)施工現(xiàn)場的地形特點(diǎn)，選出最短的開挖路線，減少隧洞開挖所需的時間，節(jié)約施工成本；其次，由于一些圍巖在不加支護(hù)的情況下就已經(jīng)達(dá)到完全穩(wěn)定的狀態(tài)，因此不再需要添加多余的支護(hù)結(jié)構(gòu)來維持自身的穩(wěn)定。這就要求施工人員在進(jìn)行支護(hù)安裝前，要判斷圍巖的穩(wěn)定性是否需要采取支護(hù)措施，從而有針對性地開展支護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝工程，以減少不必要的資源浪費(fèi)；最后，施工人員要控制好現(xiàn)場的材料和機(jī)具的使用情況，嚴(yán)格按照施工進(jìn)度表上的要求進(jìn)行施工，以避免由于施工工期延長而導(dǎo)致施工成本增加情況的出現(xiàn)。

結(jié)束語

綜上所述，在引水隧洞施工中，圍巖的穩(wěn)定性對保證工程的質(zhì)量起著十分重要的作用。因此，施工人員在施工過程中，要根據(jù)實(shí)際的施工情況采用解析分析法或者數(shù)值模擬法對圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，進(jìn)而對處于不同穩(wěn)定狀態(tài)的圍巖采取相應(yīng)的加固措施。此外，在施工中，施工人員可以采取混凝土泵隧洞支護(hù)法或者新奧法維護(hù)隧洞的穩(wěn)定，從而保證整個水電站工程的質(zhì)量和安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]韋愛思.水電站引水隧洞圍巖穩(wěn)定分析及支護(hù)設(shè)計(jì)[J].中國水能及電氣化，2017，01：60-63.

[2]張?jiān)￡?瀾滄江苗尾水電站引水隧洞進(jìn)水口邊坡及圍巖穩(wěn)定性研究[D].成都理工大學(xué)，2016.

[3]吳德輝，姜欣言，曲穎.關(guān)于水電站引水隧洞開挖支護(hù)措施分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016，30：233.endprint