水电站引水隧洞围岩稳定性研究:围岩稳定性

　　摘 要：水电站修建过程中，隧道洞口的开挖不可避免的会涉及到工程围岩稳定性问题，确保开挖后围岩的稳定性，不仅对工程修建的可行性决策起到控制作用，而且对节约工程投资，提高工程质量有重要意义。以工程实例，通过构建地质模型，获得岩体参数，建立计算模型，对水电站引水隧道围岩的稳定性进行研究和评价，为以后的水电站建设提供重要基础。
　　关键词：水电站 引水隧道 围岩 稳定性
　　中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）001-003-02
　　1 引言
　　21世纪，水利水电建设得到蓬勃发展，而水电站建设往往需要开挖地下隧洞，围岩稳定与否，直接影响到工程设计及施工管理，因此对引水隧洞围岩的稳定性研究具有十分重要的意义，因为围岩处于一种非常复杂的地质环境中，岩体的坚硬程度、断层的分布及其力学特性、各节理组的特征、埋深及初始地应力的大小和分布特点、地下水及开挖和支护的方案及顺序等，都是影响围岩稳定性的重要因素。而且随着大型水利水电建设的蓬勃发展，引水隧洞的尺寸越来越大，对其稳定性的要求也越来越高，同时由于影响洞室稳定性的各种地质条件的复杂性和难以预测性，使得引水隧洞围岩稳定性评价成为地下工程中的主要问题。
　　2 隧洞围岩稳定性分析的原理
　　在水电站引水隧洞开挖后，出现了开挖临空面，导致洞室周边的岩体失去原有支撑，围岩体内部由于原始应力场失去平衡、复杂的岩体结构和地应力等诸多因素的作用，就有可能形成不同规模的不稳定块体向洞内塌落，且水电站隧洞围岩局部失去稳定主要是由于围岩体内的各类结构面与洞室临空面组合不利所构成的不稳定块体的掉落和塌滑所造成的，因此，结构面与隧洞临空面的组合形式是决定围岩局部稳定性的关键因素，它直接威胁工程的施工以及洞室的安全和稳定。由此，在洞室施工前，采用适当的分析方法，预测隧洞围岩可能形成的不稳定块体的形态、规模及其稳定性，为洞室围岩的施工安全以及支护处理措施提出建议方案具有重要的意义。
　　FLAC3D是美国ITASCA 咨询集团公司开发的三维快速拉格朗日分析程序。该程序较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学特性,特别适用于分析渐进破坏失稳以及模拟大变形，使用很方便，功能强大，能直观地显示出块体的形状等多方面的优点，用这款软件对围岩稳定性进行分析研究，可以达到定性分析与量化评价相结合的目的。
　　FLAC3D程序在进行围岩稳定性计算时，FLAC3D 软件内有一条自动查找安全系数的命令―solve fos ,该命令就是对内聚力c 和内摩擦角 进行折减,直至边坡处于临界破坏状态来确定安全系数,其实质就是强度折减法,该命令通过内插逼近的办法来确定安全系数。在此软件计算过程中，块体有直接垮落、单面滑动和双面滑动三种破坏方式，用安全系数来表征块体的稳定性，下滑力取块体的重力：一种情况滑动破坏时，滑动力为重力沿滑动面的切向分力；另一种情况直接垮落破坏时，滑动力为块体的重力；因为块体滑动可能沿单一滑面，也可能沿两个滑面破坏，在不同的破坏方式下，块体的安全系数按直接跨落、单滑面和双滑面滑动块体相关计算公式求出，在一般情况下安全系数应大于1.6～2，对于不满足上述要求的围岩块体，就应对隧道围岩进行支护加固。
　　3 水电站引水隧洞围岩稳定实例分析
　　3.1 隧洞围岩工程概况
　　小村二级水电站引水隧洞由2条平行、开挖直径为11m的引水隧洞组成，本文取1#号引水隧洞分析，本引水隧洞长1007m，最大埋深2213m，平均埋深1568m，洞向S55�E，整个引水隧洞沿线地形起伏，高程在2500m以上，进水口侧岸边破坡度为45�65�，出水口侧岸边破坡度�0�55�左右，洞内外水压力�.5Mpa左右，地面裂隙统计结果表明，区内主要发育有以下两组裂隙：
　　(1)N10～30�W，SW 或NE∠35～70�，节理密集，面光滑，常与构造线平行�
　　(2)N60～80�W，SW∠12～25�或�5～85�，陡缓两组，缓倾角组大都张开，面呈波状，延伸长，为引水隧洞的主要导水结构面�
　　小村属于河间高山峡谷岩溶区，主要依靠大气降水补给，可溶岩地层主要分布于中部，非可溶岩分布于东西两侧，工程区内碳酸盐类地层分布广泛，但是由于遭受到区域变质的一定影响，碳酸盐岩的可溶性有所下降，另一方面第四纪以来岩区地壳抬升，岩溶溶蚀速率低于地壳的上升速率，侵蚀作用起着重要的控制作用，以致来不及形成广泛的层状岩溶系统，这些特殊的自然地理环境和区域地质环境，使水电站引水隧洞围岩的岩溶发育程度较弱，典型的岩溶形态较少。
　　3.2 引水隧洞围岩分类
　　本文引水隧洞采用JPF分类体系，适用于高地应力和高外水压力条件,采用JPHC对此隧洞围岩进行分类得：
　　
　　3.3引水隧洞围岩稳定性数值模拟
　　1#隧洞断面成圆形，洞径11m，采用常规钻爆法施工，第一步先开挖上部6.5m，第二步开挖下部4.5m，引水隧洞所处在地层主要为盐塘组，围岩类别主要为II和III类，因此，采用弹塑性本构模型，摩尔-库伦屈服准则，其主要力学参数为：
　　
　　建立模型进行FLAC计算得到的结果如图1、2、3。
　　 从图1、2、3可知，在应力分布上，由于埋深不大从而导致应力不大，最大应力主要集中在北侧拱肩和东南侧拱脚处，分别达到了18和19MPa，且下部开挖时应力较上部小，这是由于上部开挖导致应力得到释放，最大应力也出现在北侧拱肩和东南侧拱脚处，达到17MPa左右，从位移分布图上看，围岩变形较小，最终位移范围在0.5-1.5mm，主要分布在东南侧拱肩和北侧拱脚，且下部开挖时较上部开挖时量值低，从塑性区上看，总体上隧洞围岩松弛深度较小，塑性区分布范围不大。
　　在埋深和围岩类别相同条件下，引水隧洞开挖后，隧洞围岩应力和塑性区分布均主要集中在在北侧拱肩和东南侧拱脚，而位移分布则主要在东南侧拱肩和北侧拱脚，在水电站引水隧洞开挖后III类围岩的应力集中程度比II类围岩的应力集中程度大，且塑性区分布和位移范围有一定扩展，因此稳定性相对要差，而在围岩类别相同条件下，随着埋深的增加，应力水平提升，导致围岩的应力集中程度增加，位移和塑性区分布范围不断扩展。
　　4 结语
　　水电站建设过程中会遇到很多稳定性问题，水电站引水隧洞围岩稳定是稳定性研究重要的一部分，水电站引水隧洞开挖后，由于开挖导致围岩出现一定范围的塑性区，整体稳定性降低，对于隧洞围岩的变形情况，必须采取适当支护措施来提高其稳定性，同时由于工程部位的敏感性，受暴雨、地震影响较大，开挖的同时必须进行相应的支护处理，另一方面在引水隧洞开挖过程中，除了重点关注分析中提到的应力集中、较大位移与塑性区的部位外，应注意控制开挖隧洞的形态，安置位移监测设备，以便动态掌握开挖和运营状态式来控制变形的增大加强对出口段洞室的洞口位置的支护强度，保证围岩的稳定性，确保水电站建设的投资和安全。
　　
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