西藏某水電站導流隧洞塌方過程與穩定性分析

摘 要：【目的】為了確定水電站導流隧洞塌方段的安全性，需要對塌方段施工期、運行期的穩定性及相應處理措施進行研究。【方法】以西藏某水電站為典型案例，結合其導流隧洞塌方過程進行分析，通過計算最小巖體覆蓋厚度、相鄰隧洞最小圍巖厚度和襯砌結構配筋等3個指標來分析隧洞塌方段運行期的穩定性。【結果】計算得出，1號導流隧洞塌方段巖體實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），實際配筋面積大于理論配筋面積。【結論】在水電站導流隧洞設計施工過程中，通過3個指標的計算分析表明該隧洞滿足施工期和運行期的穩定性要求。

關鍵詞：導流隧洞；隧洞塌方；穩定性分析；圍巖厚度；襯砌配筋

中圖分類號：TV223.4；TV672.1 文獻標志碼：A 文章編號：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

西南山區水電工程在我國經濟社會發展中發揮著重要作用，是我國重要的基礎產業設施［1-2］。我國擁有豐富的河流資源和水電資源，水電蘊藏量大、水電工程建設能力和百萬千瓦級水電機組成套設計制造能力強，水電工程建設技術已達先進水平［3-4］。

某河流是我國現階段以及未來水電開發的重點河流之一，其干流中游SR至JC峽谷段水能資源豐富，共規劃5級水電站，總裝機容量約為282萬kW。目前，其中游的DG水電站、ZM水電站已逐步進入投產運行狀態［3］。本文的研究對象某水電站便位于DG水電站和ZM水電站之間。

導流隧洞是水電站的重要建筑物，其主要作用是引導水流到水輪機發電。然而，受地質條件、地形地貌的影響，越來越多的河段采用全斷面截流、隧洞導流方式。同時，為保證工程效益和機組提前發電等建設要求，導流隧道的結構必須滿足過流量大、水頭高和封堵期間外部水壓高的需求，因此導流隧洞的結構尺寸越來越大，導致導流隧洞塌方的風險越來越高［5-7］。導流隧洞圍巖覆蓋厚度較薄，在開挖施工過程中，如果支護措施不力或者支護時機不當，都將影響導流隧洞的穩定［8］。因此，對導流隧洞的穩定性進行分析和評估，是水電站建設和運行中必不可少的環節。李志偉［9］就某輸水隧洞塌方事故原因進行分析，并提出具有針對性的處理方案，取得了良好的效果，為防止類似事故的發生提供了參考。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險。

本研究通過分析導流隧洞塌方后的應急處理措施及塌方段施工期、運行期的穩定性，計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性，為導流隧洞襯砌結構設計施工提出合理建議。

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縣城河段規劃8級開發的第3級電站。該工程壩址左岸有S508省道通過，項目對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級建筑物設計，次要建筑物按3級建筑物設計。該水電站工程的開發任務為發電，電站裝機容量為600 MW（3×200 MW），多年平均發電量28.347億kW?h。

大壩、廠房施工導流采用全年斷流圍堰、隧洞過流的導流方式。兩條導流隧洞布置在右岸，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 塌方應急處理及施工期穩定性分析

2.1 塌方過程及應急處理措施

2022年1月24日至2023年3月9日，1號導流隧洞（以下簡稱1#導）共發生3次塌方，分別發生在1#導0+404至1#導0+406段、1#導0+406至1#導0+415段、1#導0+418至1#導0+426段，最大塌方高度分別為1.0 m、3.2 m和5.0 m。塌方穩定后，采取預應力錨桿、掛網噴混凝土、鋼拱架等措施進行處理。

2.2 施工期穩定性分析

為了保證隧洞塌方段施工過程的安全性，在隧洞不同位置設置監測點。具體來說，在1#導0+420處設置多點位移計、錨桿應力計，具體布置形式如圖1、圖2所示。監測結果顯示，絕大部分錨桿應力測點的實測值偏小，僅Asdld-420-3的3號測點受下層開挖爆破影響變化值較大，在增設隨機錨桿后，應力變化趨于穩定。多點位移計監測結果顯示，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定的。

3 塌方段運行期穩定性分析

為了保證隧洞運行期的安全性，需要對隧洞運行期的穩定性進行分析。因此，通過計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個指標，來對隧洞運行期的穩定性進行分析。

3.1 塌方段最小巖體覆蓋厚度分析

1#導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，根據基巖線分布位置可知，1#導頂部基巖最薄處在1#導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0+413.29處巖體厚度示意如圖4所示，塌方段樁號分布為1#導0+404至1#導0+426，該段巖體頂部厚度大于20.48 m，最薄為21.20 m，樁號為1#導0+413.29，兩條導流隧洞間巖體厚度為35.00 m。

根據《水工隧洞設計規范》（NB/T 10391—2020），圍巖實際最小厚度應取1#導0+428.82處巖體厚度，具體為20.48 m。采用挪威準則對不襯砌有壓隧洞圍巖覆蓋厚度進行計算，具體見式（1）。

[CRM=?sγwFγRcosα] （1）

式中：CRM為巖體最小覆蓋厚度，m；hs為洞內靜水壓力水頭，m；γw為水的重度，N/mm3，本次計算取1；F為經驗系數，一般取1.30～1.50，地質情況較差時取高值，本次計算取1.50；γR為巖體重度，N/mm3，本次計算取2.6；α為地表巖體坡角°，α大于60°時取60°，本次計算取44°。

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

1號導流隧洞長為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 [ξ] 的計算見式（2）。

[ξ=2glC2R] （2）

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

通過計算可得，1#導0+428.82處沿程水頭損失系數ξ1為0.22；進口局部的損失系數ξ2為0.1；進口閘門槽局部損失系數ξ3為0.05；彎道段局部損失系數ξ4為0.09（有壓段僅經過1轉彎段）。

1#導0+428.82處流速水頭hv、總水頭h和靜水水頭hs的計算見式（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#導流隧洞分流量；z1為1 #導0+428.82處底板高程；z3為導流隧洞進口水位；[ω]為隧洞斷面積。

通過計算可得，1#導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。進而得出不襯砌有壓隧洞圍巖覆蓋厚度CRM為13.48 m，小于實際圍巖最薄厚度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

根據水工隧洞經常出現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，并保證各條隧洞運行期的安全，隧洞之間巖體需要有足夠的厚度。根據地形地質條件、圍巖的應力和變形情況、隧洞的斷面形狀和尺寸、施工方法、運行及檢修條件等因素，參考工程經驗，一般不小于洞徑較小者的兩倍開挖洞徑（洞寬）。

該工程1號導流隧洞和2號導流隧洞相鄰巖體厚度為35 m，塌方段采用F2型開挖支護，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，根據配筋計算，以內水壓力為21.68 m時計算理論配筋面積和實際采用配筋見表1。

由表1可知，塌方段襯砌實際配筋面積大于理論配筋面積，且配筋計算采用的內水壓力為21.68 m，大于塌方段理論計算內水壓力16.81 m。因此，塌方段襯砌結構整體安全滿足要求。

3.4 運行期穩定性分析

根據上述計算，1號導流隧洞塌方段最小圍巖覆蓋厚度要求為13.48 m，實際圍巖最小厚度為20.48 m，最小圍巖覆蓋厚度滿足規范要求，且挪威準則針對的是不襯砌有壓隧洞，1號導流隧洞為襯砌有壓隧洞，圍巖所受靜水壓力實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小于13.48 m，此情況可作為安全余度考慮。同時，相鄰隧洞最小圍巖厚度滿足規范要求。襯砌結構實際配筋大于理論配筋，襯砌結構整體安全能得到保證。

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

4 結語

本研究以某河流中游某電站導流隧洞為例，對隧洞的塌方處理措施及穩定性進行了分析，得出以下結論。

①1號導流隧洞塌方段采取了應急處理和布設預應力錨桿等措施，并設置錨桿應力計和多點位移計進行監測，施工期的監測結果表明其在施工期滿足安全要求。

②根據挪威準則計算得出的1號導流隧洞塌方段最小圍巖覆蓋厚度為13.48 m，該處巖體實際厚度為20.48 m；同時，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，滿足隧洞運行期的安全要求。

③塌方段襯砌實際配筋面積大于理論配筋面積，襯砌結構滿足運行期安全要求。

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