西藏某水电站导流隧洞塌方过程与稳定性分析

摘 要：【目的】为了确定水电站导流隧洞塌方段的安全性，需要对塌方段施工期、运行期的稳定性及相应处理措施进行研究。【方法】以西藏某水电站为典型案例，结合其导流隧洞塌方过程进行分析，通过计算最小岩体覆盖厚度、相邻隧洞最小围岩厚度和衬砌结构配筋等3个指标来分析隧洞塌方段运行期的稳定性。【结果】计算得出，1号导流隧洞塌方段岩体实际厚度大于理论最小围岩覆盖厚度，相邻隧洞最小围岩厚度大于2倍开挖洞径（洞宽），实际配筋面积大于理论配筋面积。【结论】在水电站导流隧洞设计施工过程中，通过3个指标的计算分析表明该隧洞满足施工期和运行期的稳定性要求。

关键词：导流隧洞；隧洞塌方；稳定性分析；围岩厚度；衬砌配筋

中图分类号：TV223.4；TV672.1 文献标志码：A 文章编号：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

西南山区水电工程在我国经济社会发展中发挥着重要作用，是我国重要的基础产业设施［1-2］。我国拥有丰富的河流资源和水电资源，水电蕴藏量大、水电工程建设能力和百万千瓦级水电机组成套设计制造能力强，水电工程建设技术已达先进水平［3-4］。

某河流是我国现阶段以及未来水电开发的重点河流之一，其干流中游SR至JC峡谷段水能资源丰富，共规划5级水电站，总装机容量约为282万kW。目前，其中游的DG水电站、ZM水电站已逐步进入投产运行状态［3］。本文的研究对象某水电站便位于DG水电站和ZM水电站之间。

导流隧洞是水电站的重要建筑物，其主要作用是引导水流到水轮机发电。然而，受地质条件、地形地貌的影响，越来越多的河段采用全断面截流、隧洞导流方式。同时，为保证工程效益和机组提前发电等建设要求，导流隧道的结构必须满足过流量大、水头高和封堵期间外部水压高的需求，因此导流隧洞的结构尺寸越来越大，导致导流隧洞塌方的风险越来越高［5-7］。导流隧洞围岩覆盖厚度较薄，在开挖施工过程中，如果支护措施不力或者支护时机不当，都将影响导流隧洞的稳定［8］。因此，对导流隧洞的稳定性进行分析和评估，是水电站建设和运行中必不可少的环节。李志伟［9］就某输水隧洞塌方事故原因进行分析，并提出具有针对性的处理方案，取得了良好的效果，为防止类似事故的发生提供了参考。李成龙［10］以陕西省某输水隧道为例，采用大气降水渗入估算等方法，提出了“堵+排”的方式，优化了隧洞混凝土衬砌施工，一定程度上降低了隧洞渗水坍塌风险。

本研究通过分析导流隧洞塌方后的应急处理措施及塌方段施工期、运行期的稳定性，计算塌方段最小岩体覆盖厚度，判断隧洞塌方段相邻隧洞最小围岩厚度的合规性，为导流隧洞衬砌结构设计施工提出合理建议。

1 工程概况

某河流中游某水电站，是该河流干流中游WK河口至LX县城河段规划8级开发的第3级电站。该工程坝址左岸有S508省道通过，项目对外交通条件较为便利。

该水电站为二等大（2）型工程，挡水、泄洪、引水及厂房等主要建筑物按2级建筑物设计，次要建筑物按3级建筑物设计。该水电站工程的开发任务为发电，电站装机容量为600 MW（3×200 MW），多年平均发电量28.347亿kW∙h。

大坝、厂房施工导流采用全年断流围堰、隧洞过流的导流方式。两条导流隧洞布置在右岸，平面上呈双弯段布置，中心线间距为50～80 m。隧洞采用城门洞型断面，衬后断面尺寸为15 m×17 m（宽×高）。

2 塌方应急处理及施工期稳定性分析

2.1 塌方过程及应急处理措施

2022年1月24日至2023年3月9日，1号导流隧洞（以下简称1#导）共发生3次塌方，分别发生在1#导0+404至1#导0+406段、1#导0+406至1#导0+415段、1#导0+418至1#导0+426段，最大塌方高度分别为1.0 m、3.2 m和5.0 m。塌方稳定后，采取预应力锚杆、挂网喷混凝土、钢拱架等措施进行处理。

2.2 施工期稳定性分析

为了保证隧洞塌方段施工过程的安全性，在隧洞不同位置设置监测点。具体来说，在1#导0+420处设置多点位移计、锚杆应力计，具体布置形式如图1、图2所示。监测结果显示，绝大部分锚杆应力测点的实测值偏小，仅Asdld-420-3的3号测点受下层开挖爆破影响变化值较大，在增设随机锚杆后，应力变化趋于稳定。多点位移计监测结果显示，塌方段整体位移较小，未见异常，证明塌方段在施工过程中是稳定的。

3 塌方段运行期稳定性分析

为了保证隧洞运行期的安全性，需要对隧洞运行期的稳定性进行分析。因此，通过计算塌方段最小岩体覆盖度、相邻隧洞最小围岩厚度和衬砌配筋等3个指标，来对隧洞运行期的稳定性进行分析。

3.1 塌方段最小岩体覆盖厚度分析

1#导0+428.82处岩体厚度示意如图3所示，不考虑顶部覆盖层厚度，根据基岩线分布位置可知，1#导顶部基岩最薄处在1#导0+428.82段，最薄基岩厚度为20.48 m，垂直岩体厚度为35.40 m。1#导0+413.29处岩体厚度示意如图4所示，塌方段桩号分布为1#导0+404至1#导0+426，该段岩体顶部厚度大于20.48 m，最薄为21.20 m，桩号为1#导0+413.29，两条导流隧洞间岩体厚度为35.00 m。

根据《水工隧洞设计规范》（NB/T 10391—2020），围岩实际最小厚度应取1#导0+428.82处岩体厚度，具体为20.48 m。采用挪威准则对不衬砌有压隧洞围岩覆盖厚度进行计算，具体见式（1）。

[CRM=ℎsγwFγRcosα] （1）

式中：CRM为岩体最小覆盖厚度，m；hs为洞内静水压力水头，m；γw为水的重度，N/mm3，本次计算取1；F为经验系数，一般取1.30～1.50，地质情况较差时取高值，本次计算取1.50；γR为岩体重度，N/mm3，本次计算取2.6；α为地表岩体坡角°，α大于60°时取60°，本次计算取44°。

1#导0+428.82处底板高程z1为3 307.60 m，低于1#导0+413.29处的高程z2为3 307.72 m，从不利工况角度考虑，洞内静水压力水头应取1#导0+428.82处的静水压力水头。计算工况为全年20 a一遇洪水流量Q为9 250 m3/s，该流量下1#导流隧洞分流量Q1为4 682.37 m3/s，导流隧洞进口水位z3为3 353.73 m。

1号导流隧洞长为756.25 m，底坡度为0.79%。隧洞布置两段圆弧，圆弧半径均为100 m，转角分别为42.6°和30.4°，隧洞断面积为236.11 m2。

隧洞断面的损失系数 [ξ] 的计算见式（2）。

[ξ=2glC2R] （2）

式中：ξ为隧洞断面的损失系数；l为洞长；R为满流时的水力半径；C为舍齐系数。

通过计算可得，1#导0+428.82处沿程水头损失系数ξ1为0.22；进口局部的损失系数ξ2为0.1；进口闸门槽局部损失系数ξ3为0.05；弯道段局部损失系数ξ4为0.09（有压段仅经过1转弯段）。

1#导0+428.82处流速水头hv、总水头h和静水水头hs的计算见式（3）至式（5）。

[ℎv=Q1ω22g] （3）

[ℎ=z3−z1−ξ1+ξ2+ξ3+ξ4×ℎv] （4）

[ℎs=ℎ−ℎv] （5）

以上式中：Q1为20 a一遇洪水流量下1#导流隧洞分流量；z1为1 #导0+428.82处底板高程；z3为导流隧洞进口水位；[ω]为隧洞断面积。

通过计算可得，1#导0+428.82处总水头h和流速水头hv分别为36.88 m和20.07 m；静水水头hs为16.81 m。进而得出不衬砌有压隧洞围岩覆盖厚度CRM为13.48 m，小于实际围岩最薄厚度20.4 8 m。因此，最小围岩覆盖厚度满足安全要求。

3.2 相邻隧洞最小围岩厚度分析

根据水工隧洞经常出现多条平行布置或空间交叉的隧洞，为保证施工安全或避免施工相互影响，并保证各条隧洞运行期的安全，隧洞之间岩体需要有足够的厚度。根据地形地质条件、围岩的应力和变形情况、隧洞的断面形状和尺寸、施工方法、运行及检修条件等因素，参考工程经验，一般不小于洞径较小者的两倍开挖洞径（洞宽）。

该工程1号导流隧洞和2号导流隧洞相邻岩体厚度为35 m，塌方段采用F2型开挖支护，水平开挖洞径为16.7 m，最小围岩厚度大于两倍开挖洞径。因此，该隧洞塌方段相邻隧洞最小围岩厚度满足安全要求。

3.3 衬砌配筋分析

塌方段采用F2型支护，根据配筋计算，以内水压力为21.68 m时计算理论配筋面积和实际采用配筋见表1。

由表1可知，塌方段衬砌实际配筋面积大于理论配筋面积，且配筋计算采用的内水压力为21.68 m，大于塌方段理论计算内水压力16.81 m。因此，塌方段衬砌结构整体安全满足要求。

3.4 运行期稳定性分析

根据上述计算，1号导流隧洞塌方段最小围岩覆盖厚度要求为13.48 m，实际围岩最小厚度为20.48 m，最小围岩覆盖厚度满足规范要求，且挪威准则针对的是不衬砌有压隧洞，1号导流隧洞为衬砌有压隧洞，围岩所受静水压力实际上小于衬砌所受静水压力，围岩最小覆盖厚度要求理论上应小于13.48 m，此情况可作为安全余度考虑。同时，相邻隧洞最小围岩厚度满足规范要求。衬砌结构实际配筋大于理论配筋，衬砌结构整体安全能得到保证。

因此，在围岩厚度满足要求，衬砌结构整体稳定时，且后期采用回填混凝土、回填灌浆和固结灌浆等措施保证洞室上部塌方空腔密实的前提下，塌方段运行期稳定性能够满足安全要求。

4 结语

本研究以某河流中游某电站导流隧洞为例，对隧洞的塌方处理措施及稳定性进行了分析，得出以下结论。

①1号导流隧洞塌方段采取了应急处理和布设预应力锚杆等措施，并设置锚杆应力计和多点位移计进行监测，施工期的监测结果表明其在施工期满足安全要求。

②根据挪威准则计算得出的1号导流隧洞塌方段最小围岩覆盖厚度为13.48 m，该处岩体实际厚度为20.48 m；同时，塌方段相邻隧洞最小围岩厚度35 m大于2倍开挖洞径（洞宽）33.4 m，满足隧洞运行期的安全要求。

③塌方段衬砌实际配筋面积大于理论配筋面积，衬砌结构满足运行期安全要求。

参考文献：

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