烏東德水電站復雜地質(zhì)條件下大型導流隧洞群開挖支護設計

漆祖芳，孔 建，饒志文，王 潔，郭鴻俊

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

導流隧洞是水利水電工程施工期臨時性水工隧洞。為避免單條導流隧洞斷面尺寸大、線路長、布置受限，且穿越不良地質(zhì)條件概率大的問題，大江大河上水利水電工程一般布置多條導流隧洞。因此施工期導流隧洞群圍巖穩(wěn)定控制十分重要。袁延國等[1]對糯扎渡水電站左岸1號、2號導流隧洞穿越F3斷層的開挖支護方案進行了總結(jié)分析，提出采用上下分層開挖、預留核心土開挖法，并用小導管超前支護，及時噴混凝土封閉開挖面并采用鋼支撐緊急跟進，保證了圍巖的穩(wěn)定性和施工安全；余傳永[2]通過對小灣水電站左岸1號、2號導流隧洞進口漸變段不良地質(zhì)洞段開挖支護方案進行總結(jié)分析，提出施工期采用3層開挖，水泥卷式預應力錨桿、中空自進式錨桿、工字鋼支撐、噴鋼纖維混凝土支護等綜合開挖支護手段，保障了洞室開挖穩(wěn)定性；劉強等[3]依托西南某水電站3號導流隧洞穿越F13斷層洞段，采用3DEC軟件對深埋斷層節(jié)理洞段開挖和支護進行數(shù)值模擬和研究分析，為圍巖開挖支護方案擬定提供了支撐；邊波等[4]依托楊房溝水電站導流隧洞變質(zhì)粉砂巖洞段，通過分小層開挖，增設錨筋束框架梁與鋼拱架、錨筋樁聯(lián)合支護，保證了圍巖的穩(wěn)定性；盧平等[5]分析了復雜特殊地質(zhì)條件下特大斷面導流隧洞的施工難點和存在的問題，系統(tǒng)分類總結(jié)了導流隧洞在不同復雜地質(zhì)條件下的開挖和支護方法，為復雜地質(zhì)條件的特大斷面導流隧洞施工提供了借鑒和參考；俞祥榮[6]開展了大型水電站不良地質(zhì)段大斷面導流隧洞圍巖穩(wěn)定與施工技術(shù)研究，分析了大斷面地下洞室中的超前支護措施、噴錨支護機理與效果、拱架及鋼筋網(wǎng)支護機理，為類似工程提供了參考。

本文以金沙江下游河段烏東德水電站右岸3～5號導流隧洞上游洞段因民組薄—極薄層大理巖化白云巖為例，通過有限差分數(shù)值計算，分析了淺層支護、表層支護、中層支護和深層支護等各單項支護手段與組合支護措施的支護效果，可為類似工程開挖支護方案的設計提供參考。

1 工程概況

烏東德水電站是金沙江下游河段(攀枝花市至宜賓市)烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4個水電梯級中的最上游梯級。烏東德水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高270 m。電站裝機容量10 200 MW，多年平均發(fā)電量389.1億kW·h。

烏東德水電站施工導流采用河床一次斷流、上下游土石圍堰全年擋水、左右岸導流隧洞泄流的方案[7-8]。導流隧洞采用“左2右3、4大1小、4低1高”的布置格局[9]，其中左岸1，2號、右岸3，4號導流隧洞為大低洞，過流斷面尺寸為16.5 m×24.0 m，右岸5號導流隧洞為小高洞，過流斷面尺寸為12.0 m×16.0 m。烏東德水電站樞紐總體布置如圖1所示，高低導流隧洞過流斷面尺寸如圖2所示。

圖1 烏東德水電站樞紐總體布置

圖2 3～5號導流隧洞典型開挖斷面橫剖面(單位：mm)

2 右岸導流隧洞潛在破壞模式分析

2.1 右岸導流隧洞布置

根據(jù)地形地質(zhì)條件，右岸3～5號導流隧洞進洞點順導流隧洞軸線方向依次錯開，其中3號和4號導流隧洞進洞點錯開70.0 m，4號和5號導流隧洞進洞點錯開19.5 m，相鄰導流隧洞間的軸線間距為50.0 m。3號和4號導流隧洞典型開挖斷面尺寸19.9 m×27.2 m，5號導流隧洞典型開挖斷面尺寸14.8 m×18.6 m。3～5號導流隧洞典型開挖斷面橫剖面如圖2～3所示。

圖3 烏東德水電站右岸導流隧洞進口

如表1所示，烏東德水電站1～4號導流隧洞單洞最大開挖面積達到506.89 m2，斷面尺寸大，施工期圍巖穩(wěn)定控制難度大。

表1 國內(nèi)典型大型導流隧洞工程斷面尺寸

2.2 工程地質(zhì)條件

表2 烏東德水電站導流隧洞圍巖分類

2.3 巖體力學參數(shù)

烏東德壩址區(qū)主要巖體(石)物理力學參數(shù)建議值見表3，極薄層狀大理巖化白云巖及其層面抗剪強度建議值見表4。

表3 薄—極薄層狀大理巖化白云巖巖體(石)物理力學參數(shù)建議值

表4 極薄層狀大理巖化白云巖及其層面抗剪強度建議值

2.4 破壞模式

該洞段開挖期間，洞室圍巖穩(wěn)定風險較大，其中左側(cè)拱座易出現(xiàn)垮塌風險，右側(cè)邊墻易出現(xiàn)滑移風險，施工期圍巖潛在破壞模式如圖4所示。

圖4 3～5號導流隧洞潛在破壞模式

3 右岸導流隧洞開挖支護方案

3.1 開挖方案

3.2 支護方案

圖5 3～5號導流隧洞上游因民組洞段典型開挖斷面

表5 3～4號導流隧洞上游因民組洞段典型支護項目

4 施工期應力變形分析

采用有限差分軟件FLAC3D進行計算。本構(gòu)模型采用FLAC3D中自帶的遍布節(jié)理模型(ubiquitous-joint model)。該模型是摩爾-庫侖模型(Mohr-Coulomb model)的擴展，即在摩爾-庫侖體中增加節(jié)理面，此節(jié)理面也服從摩爾-庫侖屈服準則；系統(tǒng)錨桿、預應力錨桿、超前錨桿、預應力錨索和對穿錨索采用FLAC3D中的CABLE單元進行模擬，噴混凝土及鋼拱架采用SHELL單元進行模擬，錨筋樁采用PILE單元進行模擬。

4.1 計算模型及參數(shù)

通過選取典型斷面并沿洞軸線拉伸一定長度的方式建立數(shù)值計算模型。選取監(jiān)測資料較多且代表性較好的3號導流隧洞0+260斷面(對應4號導流隧洞0+330斷面、5號導流隧洞0+349.5斷面)作為典型斷面。數(shù)值模型X軸方向為垂直水流方向，指向山內(nèi)側(cè)為正；Y軸方向為順導流隧洞軸線方向，指向下游為正；Z軸方向為豎直方向，豎直向上為正。X軸方向長度為397.35 m，Y軸方向長度為18 m(3層單元)，Z軸方向長度為407.2 m，導流隧洞頂?shù)纳细矌r體按實際概化選取，計算模型如圖6所示。模型共劃分單元21 678個，節(jié)點29 244個。

圖6 數(shù)值計算模型

數(shù)值計算模擬的開挖施工及各支護措施支護程序按照現(xiàn)場實際施工程序進行，開挖分層及各層高度如圖5所示；除錨索和錨筋樁采用滯后開挖兩層的方式施工之外，其他支護措施均采用開挖一層、支護一層的施工程序。

3號和4號導流隧洞的開挖松動圈取7～8 m，5號導流隧洞開挖松動圈取4～5 m，如圖7所示。巖體及結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)采用地質(zhì)推薦參數(shù)的中間值，松動圈內(nèi)參數(shù)根據(jù)聲波檢測成果結(jié)合施工期反演分析成果選取[13-14]。各參數(shù)值如表6所示。

表6 巖體及結(jié)構(gòu)面計算參數(shù)取值表

4.2 計算結(jié)果

4.2.1 支護措施變形抑制效果

對各支護措施抑制右岸3～4號導流隧洞因民組洞段最大變形、頂拱變形及中隔墻變形的效果進行分析，如表7所示。各支護措施變形抑制貢獻率計算方法為：① 特征點單項支護變形抑制值=特征點毛洞開挖變形量-特征點單項支護條件下變形量；② 特征點組合支護方案下變形抑制值=特征點毛洞開挖變形量-特征點組合支護方案下變形量；③ 特征點單項支護變形抑制貢獻率=特征點單項支護變形抑制值/特征點組合支護方案下變形抑制值量。根據(jù)表7計算結(jié)果分析如下。

表7 各支護措施對3～4號導流隧洞變形抑制貢獻率

圖7 開挖松動圈分布

(1) 對洞周圍巖最大變形的抑制效果。淺層支護的效果最好，可抑制最大變形的36.4%；其次是深層支護，可抑制最大變形的28.6%；表層支護和中層支護分別可抑制最大變形的21.5%和10.3%。

(2) 對頂拱部位變形的抑制效果。表層支護的效果最好，可抑制頂拱變形的53.7%；淺層、深層和中層支護可一定程度抑制頂拱變形，但最大抑制率僅27.3%。

(3) 對3號和4號導流隧洞中隔墻變形的抑制效果。深層支護的支護效果最好，可抑制中隔墻變形的43.4%；表層支護可抑制中隔墻變形的22.4%；淺層支護和中層支護可分別抑制中隔墻變形的18.6%和13.1%。

4.2.2 支護措施對中隔墻塑性區(qū)抑制效果

各單項支護和組合支護措施條件下，3～4號導流隧洞中隔墻塑性區(qū)分布變化情況如圖8～9所示。

圖8 單項支護措施下導流隧洞中隔墻塑性區(qū)變化

圖9 組合支護措施下導流隧洞中隔墻塑性區(qū)變化

(1) 僅采用單一支護手段的條件下，3～4號導流隧洞開挖至第4或第5層時中隔墻塑性區(qū)貫通，存在中隔墻失穩(wěn)的風險。

(2) 表層+淺層支護手段或表層+淺層+中層支護手段均不能抑制3～4號導流隧洞中隔墻塑性區(qū)貫通，為保障中隔墻安全，需采用表層+淺層+中層+深層支護的綜合支護手段。

4.2.3 導流隧洞支護結(jié)構(gòu)受力分析

為了分析組合支護措施下，3～4號導流隧洞支護結(jié)構(gòu)受力隨隧洞開挖過程中的變化情況，在3號導流隧洞以及3號與4號導流隧洞中隔墻之間，分別選擇不同的代表性錨桿、預應力錨桿和錨索進行受力情況分析。支護措施監(jiān)測點布置如圖10所示。Y1～Y6為代表性預應力錨桿監(jiān)測點，G1～G6為代表性系統(tǒng)錨桿監(jiān)測點；S1～S6為代表性對穿錨索監(jiān)測點，其中S1，S2和S3為1000 kN對穿錨索監(jiān)測點，S4，S5和S6為1500 kN對穿錨索監(jiān)測點。組合支護措施下各支護結(jié)構(gòu)受力隨開挖過程的變化曲線如圖11所示。根據(jù)圖10～11分析如下。

圖10 導流隧洞支護措施監(jiān)測點布置

圖11 組合支護措施下導流隧洞支護措施受力隨開挖過程變化曲線

(1) 系統(tǒng)錨桿和預應力錨桿應力隨隧洞開挖逐漸增大；隧洞全部開挖完成時，中隔墻部位G4和G6錨桿的受力分別為427 MPa和222 MPa，中隔墻部位Y4，Y5和G6預應力錨桿的受力分別為346，540 MPa和494 MPa；錨桿受力總體較大，但基本處于安全范圍。

(2) 預應力錨索受力隨隧洞開挖逐漸增大；隧洞全部開挖完成時，中隔墻部位預應力錨索S1，S2和S3的受力分別為1 314，1 624 kN和1 352 kN，S4、S5和S6受力分別為1 793，1 959 kN和18 01 kN；預應力錨索受力總體較大，但基本處于安全范圍。

4.2.4 設計方案支護效果

烏東德水電站右岸3～4號導流隧洞上游因民組洞段最終采用表層+淺層+中層+深層支護相結(jié)合的設計支護方案。毛洞開挖條件下與設計支護方案條件下，導流隧洞開挖完成后的變形分布與塑性區(qū)分布如圖12～13所示。結(jié)果表明：

(1) 在設計支護方案條件下，該洞段最大變形由毛洞開挖的243 mm降低至108 mm，即設計支護方案有效抑制了導流隧洞開挖期的變形，避免了圍巖過度變形破壞。

圖12 毛洞開挖和設計支護方案下導流隧洞開挖變形分布

圖13 毛洞開挖和設計支護方案下導流隧洞塑性區(qū)分布

(2) 在毛洞開挖條件下，該洞段中隔墻塑性區(qū)貫通，中隔墻失穩(wěn)風險大，而設計支護方案的該洞段中隔墻塑性區(qū)未貫通，即設計支護方案保障了中隔墻安全。

5 結(jié) 論

本文以烏東德水電站右岸3～5號導流隧洞上游因民組薄—極薄層大理巖化白云巖洞段為例，通過有限差分數(shù)值計算，評價了各單項支護手段和組合支護措施的支護效果，所得結(jié)論如下。

(1)淺層支護和深層支護對洞周圍巖最大變形的抑制效果較好；表層支護和淺層支護對頂拱部位變形的抑制效果較好；深層支護和表層支護對3號和4號導流隧洞中隔墻變形的抑制效果較好。

(2) 單一支護手段條件下，3～4號導流隧洞中隔墻在隧洞開挖至第4或第5層時塑性區(qū)貫通，存在失穩(wěn)風險。

(3) 采用表層+淺層支護或表層+淺層+中層支護手段均不能抑制3～4號導流隧洞中隔墻的塑性區(qū)貫通，需采用表層+淺層+中層+深層支護的綜合支護手段保障中隔墻安全。

(4) 設計支護方案可使洞段最大變形由毛洞開挖的243 mm降低至108 mm，有效抑制導流隧洞開挖期變形，且未出現(xiàn)中隔墻塑性區(qū)貫通現(xiàn)象。因此，設計支護方案可有效保障中隔墻安全。