阿不都拉水库发电隧洞围岩稳定性分析

张 明

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830001）

1 工程概况

阿不都拉水库位于塔城市东北部的阿不都拉河中上游基岩山区河段上。阿不都拉河发源于塔尔巴哈台山东段南坡，多年平均径流量为1.018 亿m3，是塔城境内额敏河的第二大支流。水库距塔城市约40 km，坝址位于阿不都拉河出山口上游2.1 km 处。隧洞布置于左坝肩山体中，由上游进口段、上游洞身段、闸井段、下游洞身段、出口明渠段及消能段组成，全长692.00 m（洞身段长635.00 m），进口分上、下两个，上部进口高程972.24 m，下部进口高程952.10 m。

2 发电隧洞建筑物工程地质条件评价

1）桩号0+000～0+010 为发电洞进口段，桩号0+085～0+101 为发电洞出口段，岩性均为青灰色凝灰质砂岩，呈强风化状，岩石产状为：325°NE∠83°，结构呈中厚层状或大块状，围岩顶部张性裂隙发育，节理裂面十分发育，贯穿张裂，不稳定，泥质充填，滴水严重，时有掉块现象，硬质岩石。围岩类别为V 类。建议120 mm～150 mm 厚钢筋网喷射混凝土，设置1.5 m～2.0 m 长的锚杆，采用仰拱，必要时，加设钢架。

2）桩号0+010～0+025、0+033～0+070 段，岩性为下泥盆统塔尔巴哈台组下亚组灰黑色凝灰岩、凝灰质砂岩，岩石产状为320°NE∠83°，厚层状- 巨厚层状，层理不明显，岩体呈强风化状～新鲜基岩，强风化层厚度3 m～4 m，弱风化层厚度3.5 m～5 m。该段节理裂隙发育，多呈挤压破碎带，宽0.3 m～1.0 m，硅质充填，地下水活动轻微，沿岩体结构面有滴水现象。围岩类别为IV 类。建议80 mm～100 mm 厚喷射混凝土，设置1.5 m～2.0 m 长的锚杆。

3）桩号0+025～0+033、0+070～0+085 段，岩性为下泥盆统塔尔巴哈台组下亚组灰黑色凝灰岩、凝灰质砂岩，岩石产状为320°NE∠83°，坚硬岩为主，弱- 微风化，围岩短时间之内稳定，洞顶部见有平缓岩层及节理裂隙，局部易坍塌掉块，岩体完整性较好，地下水活动轻微，沿岩体结构面方向见有渗水现象，围岩类别为Ⅲ类。建议50 mm厚喷射混凝土，设置1.5 m～2.0 m长的锚杆。

3 发电隧洞围岩稳定性分析

3.1 计算模型及参数

根据对阿不都拉水库发电隧洞工程地质条件的分类评价，选取了最容易发生事故和对围岩稳定性要求高的地带，出口段或临近出口段等均采用钻爆法施工掘进，对支护的要求较高，因此本次选取了发电隧洞近出口段埋深约130 m 左右的Ⅳ类围岩中的典型剖面，进行围岩稳定性数值模拟分析。根据该工程的实际情况，将实际研究的出口段隧洞简化为平面应变模型；采用Midas 软件，本构关系采用弹塑性材料，强度准则按照摩尔- 库伦强度准则；采用植入式梁单元模拟喷射混凝土、钢拱架，不考虑节点耦合；采用植入式桁架模拟锚杆。地表面设置为自由边界，左右两侧设置为水平方向（X 方向）的约束，底部采用垂直方向（Y 方向）的约束。计算模型及网格划分见图1。

图1 计算模型

根据隧洞出口段或临近出口段的围岩类型和特征以及所采取的支护方案，并结合地勘报告提供的地质参数，Ⅳ类围岩计算参数如表1 所示，喷锚支护参数见表2。

表1 计算参数

表2 喷锚支护计算参数

3.2 围岩稳定性分析

采用Midas 软件，对发电隧洞近出口段埋深约130 m 左右的Ⅳ类围岩在开挖后和支护后的位移、主应力、塑性区及屈服深度，还有喷射混凝土主应力和锚杆轴力进行计算，结果见图2～6，并对结果进行分析。

3.2.1 围岩位移分析

图2 垂直方向围岩位移分布图

由图2 可知：在隧洞开挖后，围岩会向临空面的回弹，在隧洞顶部和底部的位移变化最大，而两侧的变化较小，其中：支护前隧洞顶部围岩的最大位移为1.36 cm，支护前隧洞底部围岩的最大位移为1.25 cm；在隧洞支护后，围岩的回弹变形量有明显的减小，位移变化最大的部位仍在隧洞的顶部和底部，其中：支护后隧洞顶部围岩的最大位移为0.81 cm，支护前隧洞底部围岩的最大位移为0.74 cm。由此可见，支护对隧洞开挖后围岩的回弹变形量有较好的控制作用，在该处可使围岩变形量减小40%左右，效果明显。

3.2.2 围岩主应力分析

图3 围岩主应力分布图

由图3 可知：由于隧洞埋深在130 m 左右，地表对隧洞围岩的影响较小。在隧洞开挖后，围岩中应力发生了重新分布，在隧洞表面及向围岩内一定范围内出现了压应力集中现象，在围岩临隧洞的表层，其压应力在0.95 MPa～1.20 MPa 之间变化，最大压应力为1.20 MPa；在隧洞锚喷支护后，围岩临隧洞的表层，其压应力在0.71 MPa～0.93 MPa 之间变化，最大压应力为0.93 MPa。由此可见，支护可使隧洞开挖后围岩表层及周围的压应力有所减小，使围岩的整体强度有所增加，但主应力在开挖前后变化不大，减小幅度在1/4～1/5 之间。

3.2.3 支护结构应力分析

图4 喷射混凝土及钢拱架主应力分布图

图5 锚杆轴力分布图

由图4 和图5 可知：支护结构中的喷射混凝土及钢拱架基本均处于受压状态，其最大主应力为5.45 MPa,；锚杆均处于受拉状态，其最大轴力约为22 kN，小于锚杆的最大允许应力，是安全的。

3.2.4 围岩塑性区分析

图6 围岩塑性区分布图

由图6 可知：在隧洞开挖后，围岩中塑性区较大，易发生张剪破坏；而在隧洞锚喷支护后，围岩塑性区的范围明显减小，此时围岩屈服区在隧洞顶部的深度为1.63 m，在隧洞左右两帮的深度分别为0.75 m 和0.77 m，在隧洞底部的深度为1.52 m，均小于锚杆的长度2.50 m，均在支护范围内。

4 结论

根据隧洞出口段或临近出口段的围岩类型和特征以及所采取的支护方案，并结合地勘报告提供的地质参数，采用Midas 软件，建立了埋深约130 m 左右的Ⅳ类围岩发电隧洞开挖支护数值模型，对该隧洞开挖后和支护后的位移、主应力、塑性区及屈服深度，还有喷射混凝土主应力和锚杆轴力进行模拟计算，并对结果进行分析，结果表明采取的支护设计方案是合理的，支护后的围岩是稳定的，支护设计参数可以满足要求。