水電站施工中地下洞室圍巖穩定性分析

嚴凱

摘 要：在水電站工程施工過程中，地下洞室過程中，為了保證施工質量，應當展開水電站地下洞室圍巖穩定性的分析。文章以實際工程為例，對水電站施工中地下洞室圍巖穩定性進行了分析，以期優化施工效果。

關鍵詞：水電站施工；地下洞室；圍巖穩定性

1 前言

隨著水電開發技術的日益成熟，大型水電樞紐工程的開發與建設受地區地形條件限制，多采用地下廠房式布置，進而形成了規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定性成為工程建設中成敗的關鍵因素。

2 地下洞室圍巖穩定性分析概述

地下洞室的穩定性課題屬于一項非線性力學問題，較為復雜，一般而言具有非均勻性、非連續性變形以及大位移等特征。圍巖穩定性的主要影響因素主要包括兩個方面：天然地質條件以及工程因素。天然地質條件方面涉及到初始地應力場、地質構造、地下水情況、圍巖結構等；工程因素涵蓋了洞室實際情況、洞室開挖施工、支護形式等。

近年來，巖石力學理論以及測試技術不斷發展，電子計算機技術以及有限元方法得到了推廣和應用，再加上科研工作者堅持不懈的努力，涌現出了許多新的研究方法，在巖體構造以及力學特征、地下圍巖不穩定機理以及支護受力機制方面的研究，新設計理論以及方法等方面的研討都取得了可喜的成果，為地下圍巖的穩定性分析與評價提供了支持和途徑。然而作為地下工程的根源問題之一的圍巖失穩分析，現階段尚沒有構成統一理論，針對地下圍巖穩定性進行分析，主要是通過分析與考慮具體的地質條件和工程的情況要求，結合多種方法進行綜合評價，因此有必要總結目前的地下洞室穩定性分析，以助力工程實踐中可以進行科學判斷。

3 地下洞室圍巖穩定性分析思路

洞室圍巖穩定性分析是多學科理論方法、專家經驗、監測量與計算機技術綜合集成的科學。洞室失穩是一個極其復雜的力學過程，在實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、非連續性變形和大位移，是一個高度非線性的問題。

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

4 水電站施工中地下洞室圍巖穩定性分析

某水電站是下游河段梯級開發的最上游一級電站。江河洪水流量較大，泄洪建筑物規模較大，而發電水頭相對較小，引用流量大，廠房的規模較大（最大跨度27.4m）。壩址河谷較狹窄，左岸地質條件較差，經綜合比較選擇右岸地下廠房方案。地下廠房區三大洞室圍巖為白堊系下統景星組下段變質砂巖、砂質板巖夾灰白色石英砂巖。

4.1 洞室群穩定性勘察研究

前期針對電站可能布置的地下洞室區展開詳細的地質調查，宏觀的分析地質環境，初步認識巖性、構造以及地應力、巖體的物理力學特點，結合樞紐建設要求，初步確定地下廠房位置實施勘探。主要通過勘探平洞、鉆孔、地應力測試等手段進行勘探試驗。勘探平洞布置過程中，在廠房的拱座高程位置沿初期制定的主廠房的軸線實施，再打支洞到尾水調壓室，沿初定的尾水調壓室軸線進行平洞揭示。平洞的深度要可以控制與穩定兩個端墻，由此勘探平洞就可以控制三大洞室頂部的地質狀況。接著在洞內確定合適的位置實施鉆孔，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條件，例如巖體的類別、構造發育以及地下水情況等。通過平洞及鉆孔，能夠較為詳細的掌握廠區的地質情況。繼而充分的利用勘探平洞采集地質資料，包括巖性、地應力的表現等，實施巖體類型的劃分，在此基礎上實施地應力測試以及巖體物理力學性質的試驗。

4.2 初始應力場特征

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

4.3 開挖后應力分布特征

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

4.4 圍巖松弛特征

對地下洞室圍巖松弛帶厚度確定主要依據測試孔單孔聲波法縱波速度曲線中較明顯的拐點判斷，經測試，三大洞室圍巖體松馳圈厚度變化較大，最淺<1m，最深達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；松馳帶以內較完整巖體平均波速為4910m/s。

4.5 圍巖變形總體特征

本區巖體屬陡傾層狀結構，其物理力學特性具有明顯的各向異性性，圍巖的變形特征與巖層的產狀密切相關。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，反傾向一側的位移在傾角為60°達到最大，順傾向側洞周位移要小于反傾向側的位移。

監測結果表明，三大洞室圍巖變位主要發生在洞室開挖階段，各點變位過程呈臺階狀，與洞室分層分段開挖的過程相對應。圍巖基本屬于淺表部卸荷變形，變形主要發生在圍巖內0-7m范圍內。受地質結構面的影響，個別部位在圍巖內部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）圍巖變形較下游側（順傾向一側）大，其中主廠房上游邊墻圍巖變形和錨固應力均較大。圍巖變形普遍在30mm左右，部分點位達到80mm以上，洞室開挖完成后進入應力調整階段，圍巖變位仍有緩慢發展。

5 結束語

綜上所述，近些年，關于巖石的破壞、失穩、突變的相關研究，為圍巖的穩定性分析提供了有力的理論方法。伴隨著計算科學和有關學科的不斷進步，其分析和研究結果將更擁有現實意義。要想實現洞室圍巖穩定性較為全面、深入的研究，就需要結合實際情況，通過利用系統化的理論和方法來進行.并且在開展地下洞室穩定性識別判定過程中，務必參考穩定性判據的實踐經驗和可靠數據，與此同時考慮工程中各量測值的變化情況，從而提高穩定性分析的科學性。

參考文獻：

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