石门坎水电站导流洞围岩稳定性分析

叶 焰 中

(深圳市北部水源工程管理处，广东 深圳　518000)



石门坎水电站导流洞围岩稳定性分析

叶 焰 中

(深圳市北部水源工程管理处，广东 深圳518000)

根据石门坎水电站的工程地质情况，从围岩类别的角度分析了水电站导流洞的稳定性，通过探讨三类围岩截面的变化情况,得到了适合其围岩类型的支护方式,为类似工程施工积累了经验。

水电站，导流洞，围岩，稳定性

1　工程地质背景

1.1工程概况

石门坎水电站位于李仙江干流崖羊山水电站的下游，枢纽由混凝土拱坝、引水式地面厂房组成。石门坎水电站导流洞布置于坝址右岸山体内，采用施工方便、水力条件较好的城门洞形式，断面尺寸为7.0 m×9.0 m(宽×高)，最大埋深约185 m，洞长544.99 m[1，2]。

1.2工程地质分析

石门坎水电站导流洞沿线穿过众多岩性不同的砂岩及泥岩，围岩岩体的物理力学性能如表1所示[3，4]。其中基本稳定的Ⅱ-Ⅲ类围岩长约215 m，局部稳定性差的Ⅲ类围岩长约316 m，构造带及其影响带Ⅴ类围岩长约15 m。围岩均为微风化的新鲜岩体，大部分洞段岩层走向与洞向夹角较大，对围岩稳定非常有利。

表1　导流洞岩石力学强度指标　MPa

导流洞大部分洞段位于地下水位以下，地下水位较高，岩体结构面间摩擦系数降低，粉砂岩、泥岩等较软岩失水易风化崩解，地下水作用使围岩自身稳定性有所降低。

2　利用数值计算对导流洞围岩进行稳定性分析

石门坎水电站导流洞由三类(Ⅱ类-Ⅲ类、Ⅲ类、Ⅴ类)不同性质的围岩组成，针对三种情况，分别在每一类中选一个截面进行计算。截面形式如图1所示。材料参数见表2。

把因洞室开挖对周围岩体的影响看作是一个平面问题，不计空间影响。又因考虑到天然拱厚度，所以取计算范围为洞宽度的6倍～10倍，围岩计算单元模型的计算范围如图2所示。在下文的计算过程中计算范围为洞宽度的7倍。

表2　导流洞围岩稳定计算参数表

截面围岩级别弹性模量E/MPa泊松比抗侧力系数截面形式m2重度kN/m3A—AⅡ类-Ⅲ类150.050.058.2×10.225B—BⅢ类100.090.18.3×10.324C—CⅤ类0.30.290.48.6×11.018.5

2.1Ⅱ类-Ⅲ类围岩稳定性分析

由表2建立A—A截面计算模型,边界条件为计算模型的左右边界面约束水平方向的位移，上部边界面为自由面，下部边界面约束垂直方向的位移。荷载为上部边界施加0.835 MPa的均布荷载，弹性模量E=1.5E1 MPa，泊松比为0.05。

A—A截面导流洞在未发生变形前的应力云图如图3所示，导流洞在发生变形后的应力云图如图4所示，从图3和图4可以看到，在开挖之后,导流洞并未发生很大的变形，围岩较稳定。

2.2Ⅲ类围岩稳定性分析

由表2建立B—B截面计算模型,边界条件为计算模型的左右边界面约束水平方向位移，上部边界面为自由面，下部边界面约束垂直方向的位移。荷载为上部边界施加0.812 4 MPa的均布荷载，弹性模量E=1.0E1 MPa，泊松比为0.09。

B—B截面导流洞在未发生变形前的应力云图如图5所示，导流洞在发生变形后应力云图如图6所示，从图5和图6可以看出，在开挖之后,导流洞并未发生很大的变形，围岩比较稳定。

2.3Ⅴ类围岩稳定性分析

由表2建立C—C截面计算模型,边界条件为计算模型的左右边界面约束水平方向的位移，上部边界面为自由面，下部边界面约束垂直方向的位移。荷载为上部边界施加0.647 5 MPa的均布荷载，弹性模量E=0.3 MPa，泊松比为0.29。

导流洞C—C截面在未发生变形前的应力云图如图7所示，在发生变形后的应力云图如图8所示，从图7和图8可以看到，在开挖之后,导流洞截面发生了很大的变形，围岩稳定性差，应当及时支护或是超前支护。

2.4石门坎水电站导流洞支护及衬砌结构稳定性验算

由于围岩类别不同，作用在支护及衬砌上的作用力也有所不同，那么支护及衬砌结构设计相应也略有差别，如图9所示，是导流洞全线的支护以及衬砌结构的类型。

从以上的计算中可以看出，A—A截面和B—B截面围岩相对比较稳定，支护结构可以满足要求，但是C—C截面围岩稳定性极差，需要加强支护。

3　结语

通过以上对石门坎水电站导流洞地质的分析及计算，施工过程中应尽量注意以下几个方面的问题：

1)在掘进过程中，由于围岩类别不同，围岩所表现出来的稳定性也不一样，所以施工人员绝不能一律按一种参数进行施工，应在具体的围岩级别中选择具体的施工参数。特别是在Ⅴ类围岩的施工过程中，应及时支护，以免出现塌方影响工期。

2)在施工过程中，施工人员还应结合施工效果对下一步施工进行优化，但不能随意修改已有的数据资料。

3)在导流洞进口以及出口，由于导流洞非深埋洞，所以在施工过程中应特别注意在开挖过程中及时支护，在特别需要的情况下应进行超前支护。

4)如果施工时遇到地下水，应对地下水进行处理，不能视之不理。因为地下水的大量流出，导致孔隙里的填充物被带走，对围岩的稳定不利。同时还应做好通风与防尘措施。

[1]黄细丁.石门坎水电站导流洞开挖支护过程模拟分析[J].云南水利发电，2009,25(1):54-57.

[2]马志峰.不良地质条件大断面导流洞开挖支护的施工技术[J].西北水电，2008(5):38-40.

[3]李刚,陈强,聂德新，等.复杂岩性条件下岩体变形模量试验与取值方法[J].人民长江，2013(23):48-51.

[4]熊建清，窦燕，杨道坡.石门坎水电站导流洞工程优化设计研究[J].人民黄河，2011，23(1):139-141.

On surrounding rock stability analysis of diversion tunnel at Shimenkan Hydropower Station

Ye Yanzhong

(ShenzhenNorthWaterSourceEngineeringAdministrativeOffice,Shenzhen518000,China)

According to the geological survey of Shimenkan Hydropower Station, the paper analyzes the stability of the diversion tunnel of the hydropower station from the surrounding rock types, explores the sections of the three surrounding rocks, and concludes the support approaches for the surrounding rock types, so as to accumulate experience for similar projects.

hydropower station, diversion tunnel, surrounding rock, stability

1009-6825(2016)19-0209-02

2016-04-25

叶焰中(1984- ),男，硕士，工程师

TV732

A