官地水电站右岸导流洞进口渐变段塌方的支护处理与计算分析

2011-04-16周德彦李学权

中国水能及电气化 2011年7期

周德彦，李学权，龚华，王君

（1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，成都 610072；2.四川准达岩土工程有限责任公司，成都 610072）

官地水电站总装机容量4×600MW；水库正常蓄水位1330.00m，为一等大（1）型工程。枢纽建筑物主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪消能系统和右岸地下引水发电系统组成。

官地水电站导流建筑物级别为4级，大坝基坑初期导流采用全年断流、围堰挡水、隧洞导流的导流方式。导流标准为重现期20年，相应洪水流量9780m3/s。左右岸各布置1条导流洞，导流洞为城门洞型，净断面尺寸为16m×19m （宽×高），左、右岸导流洞设计长度分别为744.137m、1018.600m，进口高程1204.00m、出口高程为1200.00m。根据选定的初期导流布置方案，上游围堰堰前设计水位1247.93m。

1 工程地质情况

（右导）0-014～0+016m段为右岸导流洞进口渐变段，洞向 S9°26′22″E，岩性为（P2β22）的杏仁状玄武岩、致密状玄武岩夹紫红色沉凝灰岩，呈弱风化状态，为Ⅳ类岩体，地下水不发育，局部洞壁潮湿或滴水。

该段洞室埋深52～66m，强风化垂直埋深约11m，强卸荷垂直埋深约21m。见有紫红色沉凝灰岩条带出露，其产状为SN/E（W）∠80～85°。顶拱发育1条错动带，产状N40°W/SW∠60°，充填次生泥，桩号0+031m左右；节理裂隙主要有4组： ①N40°W/NE∠40～50°，间距 10～20cm，延伸长度5～10m，面染铁锈；②SN/E（W）∠80～85°，间距10～50cm，延伸长度8～15m，面染铁锈；③SN/E∠10～20°，延伸长度8～15m，面染铁锈；④N15°W/SW∠80～85°，间距 10～50cm，延伸长度8～10m，面染铁锈。如图4～6所示。

2 开挖支护设计及施工面貌

2.1 开挖支护设计

右岸导流洞进口渐变段的开挖支护和结构设计，除采用了可研（重编）阶段的有限元计算成果外，在技施阶段还采用理正岩土分析软件进行了复核计算。根据计算成果，并参考其它类似工程的支护经验，技施设计成果如下：

（右导）0-014.00～0+036.00m 段为进口渐变段，断面由方形（21m宽×19m高）渐变到标准城门洞形（16m宽×19m高，拱高4.2m）。在进洞点最大开挖跨度25.6m，最大开挖高度25.3m，拱高 2.6m；（右导）0+036m断面开挖宽度 20.56m，开挖高度23.28m，拱高5.81m。

在进口洞脸边坡高程1250～1230m设两排锚索，且在其进口洞脸高程1270m以下的边坡设L=8m固结灌浆。

施工期支护措施主要考虑顶拱部位开挖前预设管棚和超前注浆小导管，边墙和顶拱开挖之后布置工字钢支撑和喷C25聚丙烯混凝土；在纵向设准28连接钢筋。进口渐变段洞身设L=6m固结灌浆，边墙和顶拱设准25系统锚杆支护，L=4.5m和9m间隔设置，与钢支撑焊接。该段混凝土衬砌厚度2.0m，底板及边墙下部2m为C35混凝土，边墙上部和顶拱为C25混凝土。开挖支护设计如图1～3所示。

（右导）0-013.0～0+001.4m段，现场开挖后揭示进口岩体节理裂隙发育并存在一条缓倾角错动带。为穿过拱顶上部的错动带对围岩吊挂，在拱顶部位设L=15m锚筋束伸向到洞身的钢支撑上，进口2排管棚减为1排，并在该段左边墙拱顶以下一定距离处设L=9m锚筋束，兼作钢支撑的锁脚锚筋束。

由于渐变段围岩条件相对较差，且开挖跨度大，为保证安全施工，设计建议如下的施工程序及方法：首先，从边坡进行固结灌浆加固岩体至洞身段，从边坡向洞身顶拱设置锚筋束伸向开挖前顶拱预设的管棚和超前注浆小导管；然后，左右导洞分三层开挖，先开挖上层左导洞，上层右导洞跟进开挖，预留中部岩柱，导洞开挖完成后及时进行钢支撑锚喷混凝土，加锚筋束或锚杆对钢支撑进行锁脚支护，待左右导洞支护措施完成后再进行中部岩柱的开挖与支护；中、下层以同样方式进行开挖与支护。

2.2 第一次塌方前该段面貌

1）已完成（右导）0-014.0～0+036.0段左导洞上层扩挖，且已完成该段钢支撑安装及模喷混凝土。第二层开挖支护已完成部分洞段。

2）已完成（右导）0-014.0～0+018.0段右导洞开挖，即将完成该段的钢支撑安装及模喷混凝土。已完成部分洞段的下层开挖。

3）已完成（右导）0-014.0～0+018.0段中部岩柱开挖，已完成该段锚喷混凝土。已完成（右导）0-014.0～0+015.0段左导洞第二层开挖。

从开挖出来到垮塌时只进行了钢支撑和模喷混凝土支护，而没有对相应部位的锚杆和锚筋束进行施工，且开挖中部预留岩柱过早，在开挖中部岩柱后产生垮塌。

2.3 第二次塌方前该段面貌

发生第二次塌方时，（右导）0+011.8～0+033.0m塌方处理已部分完成：（右导）0+011.8～0+018.0m段支护基本完成，（右导）0+018.0～0+036.0m段左半拱完成支护，右半拱已完成开挖部位锚杆施工，但锚筋束基本未施工。开挖过程中由于爆破振动等影响造成二次塌方。

3 塌方情况

3.1 第一次塌方

2007年7月2日晚施工单位正进行（右导）0+011.8～0+018.0m段顶拱和右侧边墙钢支撑支护施工，在19时顶拱开始出现岩石掉块现象；到7月3凌晨塌方面积扩大，到早晨塌方基本稳定。塌方范围在（右导）0+011.8～0+033.0m，根据施工单位提供的数据，塌方段最高部位高于设计开挖面11m，塌方工程量约1520m3，左侧顶拱已支护完成的工字钢大部分受损严重，（右导）0+011.8～0+017.0m段新支撑的工字钢全部被破坏；支护施工排架全部砸毁，焊机2台被掩埋。2007年7月22日，在进行塌方处理过程中，（右导）0+012.0～0+015.0m段左侧洞壁发生掉块，约20m3。塌方情况如图4～6所示。

3.2 第二次塌方

8月13日完成第一次（7月2日）塌方上游段处理施工，开始右侧上层剩余的开挖施工，对（右导）0+018.0～0+020.0m段右侧进行爆破开挖。8月14日零时，（右导）0+018.0～0+033.0m段右侧开始掉块，至14日下午基本稳定，塌方量约300m3，次日该部位附近再次发生小规模塌方，之后还有零星掉块。这次塌方，使部分已支护的锚筋束脱落，5榀已安装好的钢支撑被砸坏。

4 塌方处理

4.1 第一次塌方处理

针对进口渐变段（右导）0+011.8～0+033.0m段顶拱部位第一次塌方，确定如下主要处理方案：

1）清理顶拱塌方部位不稳定块体，已暴露的岩面进行混凝土封闭喷护。

2）顶拱部位沿左右拱脚向上设L=9m锚筋束，锚筋束与结构面大角度相交。

3）在顶拱钢支撑上部设副拱。横断面上水平向1229m、1232m高程上设I20b钢支撑，竖直向I20b钢支撑。钢支撑间设斜向准32连接钢筋。

4）对（右导）0+006.2～0+012.2 和（右导）0+032.6～0+038.6段，沿顶拱部位设L=9m锚筋束，锚筋束沿径向设置。

5）锚筋束和系统锚杆外留50cm，并尽可能和钢支撑连接，必要时增设1m长L形钢筋。

6）在结构混凝土浇筑时应预留孔洞，以便以后用混凝土泵进行C20回填混凝土施工。务必做好回填混凝土、回填灌浆和固结灌浆施工，以起到支护体系应有的作用。

7）尽快实施相关监测设计中的永久监测措施。适当加强临时监测措施，适当增加监测频次。在施工时应加强巡视，确保施工安全。建议做好洞内照明和安全警戒工作。

4.2 第二次塌方处理

针对进口渐变段（右导）0+018.0～0+033.0m段顶拱部位第二次塌方，确定如下主要处理方案：

1）危石处理完成后，立即喷10cm厚C25钢纤维混凝土进行封闭。

2）已支护的左半拱的薄层倒悬岩体（（右导）0+019～0+034m），在顶部增加1排L=12m的锚筋束。

3）右半拱倒悬岩体部位（（右导）0+015～0+021m），在下部和中部各增加1排L=9m锚筋束。

4）未施工的塌方段顶拱及上层边墙系统，将锚杆长度调整为L=9m，并在局部地方增设随机锚杆加强支护。

5）修复被砸坏的钢支撑。

6）钢支撑间的纵向连接钢筋应保证足够的焊缝长度。顶拱钢支撑上可铺设SNS柔性防护网，以防止顶拱局部掉块，加强下部施工安全。

7）完成塌方段处理和已开挖到位范围的支护措施后方可分层、分段下卧施工。每层分段开挖后应及时支护。

5 计算分析

为了复核塌方段支护措施的合理性和安全性，确保导流运行期和封堵期的结构安全与围岩稳定，根据隧洞结构和地质基本资料建立了三维有限元数值计算模型进行计算分析。

5.1 计算原理及建模

1）开挖的模拟主要包括开挖单元的应力释放和开挖荷载生成及再施加于结构本身上的问题。对于已知的初始地应力，在结构的有限元计算方法中，开挖荷载可按下式进行计算：

式中：[B]为几何矩阵；{σ0}为单元的初始应力。

2）喷锚支护的原理是利用岩体中开挖洞室后产生变形的时间效应这一动态特性，适时采用既有一定刚度又有一定柔性的薄层支护结构与围岩紧密地粘结成一个整体。中科院武汉岩土所朱维申教授等人也对锚杆锚固岩体的作用做了大量的现场试验，总结出了加锚岩体力学参数与锚杆直径及间距之间关系的经验公式，具体公式如下：

式中：C、Cb——加锚前、后围岩的粘结力（MPa）；

τb——锚杆抗剪强度（MPa）；

Ab——锚杆的横截面积（cm2）；

Sa、Sb——锚杆间距与排距（cm）；

η——综合经验系数（一般取2～5）。

3）塌方段主要采用非线性，岩体材料采用弹塑性本构关系,采用D-P准则；衬砌混凝土采用多线性弹性本构关系，并取组合破坏准则作为开裂准则，即在开裂前按多线性弹性关系，通过破坏准则来判断材料是否达到破坏曲面，当材料达破坏曲面时，按拉压不同破坏形式相应改变应力应变关系。受拉开裂后，混凝土应力应变矩阵将沿着破坏面和垂直于破坏面的方向建立，并设置相应参数反映混凝土开裂后的应力应变关系。材料在受压破坏后所有方向发生应变软化，单元完全丧失承载力。钢筋采用整体分布式钢筋模式。

4）对于塌方段整体模型，考虑到结构的复杂性和数值模拟的难度等因素，施工期的锚杆（洞身段和塌方处）支护采用等效模拟方式，而钢拱架和喷射混凝土分别采用三维梁单元和板壳单元进行模拟，对于衬砌与围岩之间采用完全联合承载的计算模式，其中衬砌混凝土材料为C25和C35，回填混凝土材料为C20。

为方便分析三维模型的计算成果，沿洞轴线方向选取（右导）0+019.4m塌方最高断面为典型断面进行分析。

5.2 计算结果分析

1）导流隧洞开挖施工期围岩塑性区范围较大，尤其是在洞室的Ⅳ类围岩范围以及塌方洞段的顶部围岩塑性区深度较大。

图11 施工期开挖后最大塌方断面围岩塑性区

图12 运行期衬砌上半部开裂区（蓝色区域）

图13 运行期衬砌下半部开裂区（蓝色区域）

图14 封堵期最大塌方断面围岩塑性区

2）运行期在内水压力作用下，衬砌朝向洞外变形，衬砌和钢筋承受拉应力，数值不大，而衬砌混凝土可能出现局部开裂，但范围较小，因此整体来说运行期间隧洞衬砌结构是稳定性的。

3）封堵期衬砌与围岩均发生朝向洞内的变形，由于考虑到衬砌与围岩联合承载作用，衬砌和钢筋均承受压应力，未出现混凝土受压破坏区域；在边墙与底板部位内表面出现一定的拉应力，造成了一定范围的混凝土开裂，但范围较小，因此衬砌结构的完整性和稳定性较好。而围岩稳定状态恶化（与施工期和运行期相比），围岩塑性区范围增大，整体稳定性尚好，但局部塑性区深度达到了10.0m，应引起注意。另外，钢拱架应力有较为明显的增大，但数值均不大，低于钢材的设计强度，钢拱架结构的稳定性较好。

经以上计算分析可知，塌方段处理方案满足各种工况需求，满足导流洞各工况运行需要。