周德彥，李學(xué)權(quán)，龔 華，王 君

（1.中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，成都 610072；2.四川準(zhǔn)達巖土工程有限責(zé)任公司，成都 610072）

官地水電站總裝機容量4×600MW；水庫正常蓄水位1330.00m，為一等大（1）型工程。樞紐建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪消能系統(tǒng)和右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成。

官地水電站導(dǎo)流建筑物級別為4級，大壩基坑初期導(dǎo)流采用全年斷流、圍堰擋水、隧洞導(dǎo)流的導(dǎo)流方式。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期20年，相應(yīng)洪水流量9780m3/s。左右岸各布置1條導(dǎo)流洞，導(dǎo)流洞為城門洞型，凈斷面尺寸為16m×19m （寬×高），左、右岸導(dǎo)流洞設(shè)計長度分別為744.137m、1018.600m，進口高程1204.00m、出口高程為1200.00m。根據(jù)選定的初期導(dǎo)流布置方案，上游圍堰堰前設(shè)計水位1247.93m。

1 工程地質(zhì)情況

（右導(dǎo)）0-014～0+016m段為右岸導(dǎo)流洞進口漸變段， 洞向 S9°26′22″E， 巖性為（P2β22）的杏仁狀玄武巖、致密狀玄武巖夾紫紅色沉凝灰?guī)r，呈弱風(fēng)化狀態(tài)，為Ⅳ類巖體，地下水不發(fā)育，局部洞壁潮濕或滴水。

該段洞室埋深52～66m，強風(fēng)化垂直埋深約11m，強卸荷垂直埋深約21m。見有紫紅色沉凝灰?guī)r條帶出露，其產(chǎn)狀為SN/E（W）∠80～85°。頂拱發(fā)育1條錯動帶，產(chǎn)狀N40°W/SW∠60°，充填次生泥，樁號0+031m左右；節(jié)理裂隙主要有4組： ①N40°W/NE∠40～50°， 間距 10～20cm， 延伸長度5～10m，面染鐵銹；②SN/E（W）∠80～85°，間距10～50cm，延伸長度8～15m，面染鐵銹；③SN/E∠10～20°，延伸長度8～15m，面染鐵銹；④N15°W/SW∠80～85°， 間距 10～50cm， 延伸長度8～10m，面染鐵銹。如圖4～6所示。

2 開挖支護設(shè)計及施工面貌

2.1 開挖支護設(shè)計

右岸導(dǎo)流洞進口漸變段的開挖支護和結(jié)構(gòu)設(shè)計，除采用了可研（重編）階段的有限元計算成果外，在技施階段還采用理正巖土分析軟件進行了復(fù)核計算。根據(jù)計算成果，并參考其它類似工程的支護經(jīng)驗，技施設(shè)計成果如下：

（右導(dǎo)）0-014.00～0+036.00m 段為進口漸變段，斷面由方形（21m寬×19m高）漸變到標(biāo)準(zhǔn)城門洞形（16m寬×19m高，拱高4.2m）。在進洞點最大開挖跨度25.6m，最大開挖高度25.3m，拱高 2.6m；（右導(dǎo)）0+036m斷面開挖寬度 20.56m，開挖高度23.28m，拱高5.81m。

在進口洞臉邊坡高程1250～1230m設(shè)兩排錨索，且在其進口洞臉高程1270m以下的邊坡設(shè)L=8m固結(jié)灌漿。

施工期支護措施主要考慮頂拱部位開挖前預(yù)設(shè)管棚和超前注漿小導(dǎo)管，邊墻和頂拱開挖之后布置工字鋼支撐和噴C25聚丙烯混凝土；在縱向設(shè)準(zhǔn)28連接鋼筋。進口漸變段洞身設(shè)L=6m固結(jié)灌漿，邊墻和頂拱設(shè)準(zhǔn)25系統(tǒng)錨桿支護，L=4.5m和9m間隔設(shè)置，與鋼支撐焊接。該段混凝土襯砌厚度2.0m，底板及邊墻下部2m為C35混凝土，邊墻上部和頂拱為C25混凝土。開挖支護設(shè)計如圖1～3所示。

（右導(dǎo)）0-013.0～0+001.4m段，現(xiàn)場開挖后揭示進口巖體節(jié)理裂隙發(fā)育并存在一條緩傾角錯動帶。為穿過拱頂上部的錯動帶對圍巖吊掛，在拱頂部位設(shè)L=15m錨筋束伸向到洞身的鋼支撐上，進口2排管棚減為1排，并在該段左邊墻拱頂以下一定距離處設(shè)L=9m錨筋束，兼作鋼支撐的鎖腳錨筋束。

由于漸變段圍巖條件相對較差，且開挖跨度大，為保證安全施工，設(shè)計建議如下的施工程序及方法：首先，從邊坡進行固結(jié)灌漿加固巖體至洞身段，從邊坡向洞身頂拱設(shè)置錨筋束伸向開挖前頂拱預(yù)設(shè)的管棚和超前注漿小導(dǎo)管；然后，左右導(dǎo)洞分三層開挖，先開挖上層左導(dǎo)洞，上層右導(dǎo)洞跟進開挖，預(yù)留中部巖柱，導(dǎo)洞開挖完成后及時進行鋼支撐錨噴混凝土，加錨筋束或錨桿對鋼支撐進行鎖腳支護，待左右導(dǎo)洞支護措施完成后再進行中部巖柱的開挖與支護；中、下層以同樣方式進行開挖與支護。

2.2 第一次塌方前該段面貌

1） 已完成 （右導(dǎo)）0-014.0～0+036.0段左導(dǎo)洞上層擴挖，且已完成該段鋼支撐安裝及模噴混凝土。第二層開挖支護已完成部分洞段。

2） 已完成 （右導(dǎo)）0-014.0～0+018.0段右導(dǎo)洞開挖，即將完成該段的鋼支撐安裝及模噴混凝土。已完成部分洞段的下層開挖。

3） 已完成 （右導(dǎo)）0-014.0～0+018.0段中部巖柱開挖，已完成該段錨噴混凝土。已完成（右導(dǎo)）0-014.0～0+015.0段左導(dǎo)洞第二層開挖。

從開挖出來到垮塌時只進行了鋼支撐和模噴混凝土支護，而沒有對相應(yīng)部位的錨桿和錨筋束進行施工，且開挖中部預(yù)留巖柱過早，在開挖中部巖柱后產(chǎn)生垮塌。

2.3 第二次塌方前該段面貌

發(fā)生第二次塌方時，（右導(dǎo)）0+011.8～0+033.0m塌方處理已部分完成：（右導(dǎo)）0+011.8～0+018.0m段支護基本完成，（右導(dǎo)）0+018.0～0+036.0m段左半拱完成支護，右半拱已完成開挖部位錨桿施工，但錨筋束基本未施工。開挖過程中由于爆破振動等影響造成二次塌方。

3 塌方情況

3.1 第一次塌方

2007年7月2日晚施工單位正進行（右導(dǎo)）0+011.8～0+018.0m段頂拱和右側(cè)邊墻鋼支撐支護施工，在19時頂拱開始出現(xiàn)巖石掉塊現(xiàn)象；到7月3凌晨塌方面積擴大，到早晨塌方基本穩(wěn)定。塌方范圍在（右導(dǎo)）0+011.8～0+033.0m，根據(jù)施工單位提供的數(shù)據(jù)，塌方段最高部位高于設(shè)計開挖面11m，塌方工程量約1520m3，左側(cè)頂拱已支護完成的工字鋼大部分受損嚴(yán)重，（右導(dǎo)）0+011.8～0+017.0m段新支撐的工字鋼全部被破壞；支護施工排架全部砸毀，焊機2臺被掩埋。2007年7月22日，在進行塌方處理過程中，（右導(dǎo)）0+012.0～0+015.0m段左側(cè)洞壁發(fā)生掉塊，約20m3。塌方情況如圖4～6所示。

3.2 第二次塌方

8月13日完成第一次 （7月2日）塌方上游段處理施工，開始右側(cè)上層剩余的開挖施工，對（右導(dǎo)）0+018.0～0+020.0m段右側(cè)進行爆破開挖。8月14日零時， （右導(dǎo)）0+018.0～0+033.0m段右側(cè)開始掉塊，至14日下午基本穩(wěn)定，塌方量約300m3，次日該部位附近再次發(fā)生小規(guī)模塌方，之后還有零星掉塊。這次塌方，使部分已支護的錨筋束脫落，5榀已安裝好的鋼支撐被砸壞。

4 塌方處理

4.1 第一次塌方處理

針對進口漸變段（右導(dǎo)）0+011.8～0+033.0m段頂拱部位第一次塌方，確定如下主要處理方案：

1）清理頂拱塌方部位不穩(wěn)定塊體，已暴露的巖面進行混凝土封閉噴護。

2）頂拱部位沿左右拱腳向上設(shè)L=9m錨筋束，錨筋束與結(jié)構(gòu)面大角度相交。

3）在頂拱鋼支撐上部設(shè)副拱。橫斷面上水平向1229m、1232m高程上設(shè)I20b鋼支撐，豎直向I20b鋼支撐。鋼支撐間設(shè)斜向準(zhǔn)32連接鋼筋。

4） 對 （右導(dǎo)）0+006.2～0+012.2 和 （右導(dǎo)）0+032.6～0+038.6段，沿頂拱部位設(shè)L=9m錨筋束，錨筋束沿徑向設(shè)置。

5）錨筋束和系統(tǒng)錨桿外留50cm，并盡可能和鋼支撐連接，必要時增設(shè)1m長L形鋼筋。

6）在結(jié)構(gòu)混凝土澆筑時應(yīng)預(yù)留孔洞，以便以后用混凝土泵進行C20回填混凝土施工。務(wù)必做好回填混凝土、回填灌漿和固結(jié)灌漿施工，以起到支護體系應(yīng)有的作用。

7）盡快實施相關(guān)監(jiān)測設(shè)計中的永久監(jiān)測措施。適當(dāng)加強臨時監(jiān)測措施，適當(dāng)增加監(jiān)測頻次。在施工時應(yīng)加強巡視，確保施工安全。建議做好洞內(nèi)照明和安全警戒工作。

4.2 第二次塌方處理

針對進口漸變段（右導(dǎo)）0+018.0～0+033.0m段頂拱部位第二次塌方，確定如下主要處理方案：

1）危石處理完成后，立即噴10cm厚C25鋼纖維混凝土進行封閉。

2）已支護的左半拱的薄層倒懸?guī)r體 （（右導(dǎo)）0+019～0+034m），在頂部增加1排L=12m的錨筋束。

3）右半拱倒懸?guī)r體部位 （（右導(dǎo)）0+015～0+021m），在下部和中部各增加1排L=9m錨筋束。

4）未施工的塌方段頂拱及上層邊墻系統(tǒng)，將錨桿長度調(diào)整為L=9m，并在局部地方增設(shè)隨機錨桿加強支護。

5）修復(fù)被砸壞的鋼支撐。

6）鋼支撐間的縱向連接鋼筋應(yīng)保證足夠的焊縫長度。頂拱鋼支撐上可鋪設(shè)SNS柔性防護網(wǎng)，以防止頂拱局部掉塊，加強下部施工安全。

7）完成塌方段處理和已開挖到位范圍的支護措施后方可分層、分段下臥施工。每層分段開挖后應(yīng)及時支護。

5 計算分析

為了復(fù)核塌方段支護措施的合理性和安全性，確保導(dǎo)流運行期和封堵期的結(jié)構(gòu)安全與圍巖穩(wěn)定，根據(jù)隧洞結(jié)構(gòu)和地質(zhì)基本資料建立了三維有限元數(shù)值計算模型進行計算分析。

5.1 計算原理及建模

1）開挖的模擬主要包括開挖單元的應(yīng)力釋放和開挖荷載生成及再施加于結(jié)構(gòu)本身上的問題。對于已知的初始地應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)的有限元計算方法中，開挖荷載可按下式進行計算：

式中：[B]為幾何矩陣；{σ0}為單元的初始應(yīng)力。

2）噴錨支護的原理是利用巖體中開挖洞室后產(chǎn)生變形的時間效應(yīng)這一動態(tài)特性，適時采用既有一定剛度又有一定柔性的薄層支護結(jié)構(gòu)與圍巖緊密地粘結(jié)成一個整體。中科院武漢巖土所朱維申教授等人也對錨桿錨固巖體的作用做了大量的現(xiàn)場試驗，總結(jié)出了加錨巖體力學(xué)參數(shù)與錨桿直徑及間距之間關(guān)系的經(jīng)驗公式，具體公式如下：

式中：C、Cb——加錨前、后圍巖的粘結(jié)力（MPa）；

τb——錨桿抗剪強度（MPa）；

Ab——錨桿的橫截面積（cm2）；

Sa、Sb——錨桿間距與排距（cm）；

η——綜合經(jīng)驗系數(shù)（一般取2～5）。

3）塌方段主要采用非線性，巖體材料采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系,采用D-P準(zhǔn)則；襯砌混凝土采用多線性彈性本構(gòu)關(guān)系，并取組合破壞準(zhǔn)則作為開裂準(zhǔn)則，即在開裂前按多線性彈性關(guān)系，通過破壞準(zhǔn)則來判斷材料是否達到破壞曲面，當(dāng)材料達破壞曲面時，按拉壓不同破壞形式相應(yīng)改變應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。受拉開裂后，混凝土應(yīng)力應(yīng)變矩陣將沿著破壞面和垂直于破壞面的方向建立，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)反映混凝土開裂后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。材料在受壓破壞后所有方向發(fā)生應(yīng)變軟化，單元完全喪失承載力。鋼筋采用整體分布式鋼筋模式。

4）對于塌方段整體模型，考慮到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和數(shù)值模擬的難度等因素，施工期的錨桿（洞身段和塌方處）支護采用等效模擬方式，而鋼拱架和噴射混凝土分別采用三維梁單元和板殼單元進行模擬，對于襯砌與圍巖之間采用完全聯(lián)合承載的計算模式，其中襯砌混凝土材料為C25和C35，回填混凝土材料為C20。

為方便分析三維模型的計算成果，沿洞軸線方向選?。ㄓ覍?dǎo)）0+019.4m塌方最高斷面為典型斷面進行分析。

5.2 計算結(jié)果分析

1）導(dǎo)流隧洞開挖施工期圍巖塑性區(qū)范圍較大，尤其是在洞室的Ⅳ類圍巖范圍以及塌方洞段的頂部圍巖塑性區(qū)深度較大。

圖11 施工期開挖后最大塌方斷面圍巖塑性區(qū)

圖12 運行期襯砌上半部開裂區(qū)（藍色區(qū)域）

圖13 運行期襯砌下半部開裂區(qū)（藍色區(qū)域）

圖14 封堵期最大塌方斷面圍巖塑性區(qū)

2）運行期 在內(nèi)水壓力作用下，襯砌朝向洞外變形，襯砌和鋼筋承受拉應(yīng)力，數(shù)值不大，而襯砌混凝土可能出現(xiàn)局部開裂，但范圍較小，因此整體來說運行期間隧洞襯砌結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定性的。

3）封堵期 襯砌與圍巖均發(fā)生朝向洞內(nèi)的變形，由于考慮到襯砌與圍巖聯(lián)合承載作用，襯砌和鋼筋均承受壓應(yīng)力，未出現(xiàn)混凝土受壓破壞區(qū)域；在邊墻與底板部位內(nèi)表面出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，造成了一定范圍的混凝土開裂，但范圍較小，因此襯砌結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性較好。 而圍巖穩(wěn)定狀態(tài)惡化 （與施工期和運行期相比），圍巖塑性區(qū)范圍增大，整體穩(wěn)定性尚好，但局部塑性區(qū)深度達到了10.0m，應(yīng)引起注意。另外，鋼拱架應(yīng)力有較為明顯的增大，但數(shù)值均不大，低于鋼材的設(shè)計強度，鋼拱架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好。

經(jīng)以上計算分析可知，塌方段處理方案滿足各種工況需求，滿足導(dǎo)流洞各工況運行需要。

6 結(jié)論

官地右岸導(dǎo)流洞已經(jīng)過3個汛期（其中發(fā)生過一次有壓流）的運行考驗，且由（右導(dǎo)）0+001.4m和0+016.0m兩個斷面多點位移計和錨桿應(yīng)力計等監(jiān)測結(jié)果分析，該段圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明進口漸變段支護設(shè)計及塌方處理是成功的。

[1]官地水電站可研（重編）報告：施工組織設(shè)計[R].成都：中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，2005.

[2]朱維申.復(fù)雜條件下圍巖穩(wěn)定性與巖體動態(tài)施工力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1995.

[3]朱維申.節(jié)理巖體錨固機理和錨固效應(yīng)及工程應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[4]江見鯨.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.