劉 躍，楊懷德

(1.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；2.四川大學(xué) 水利水電工程學(xué)院，四川 成都 610065)

1 前 言

溪洛渡水電站主要由攔河大壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成。采用首部式地下廠房，分左右岸布置，每岸分別安裝9臺機(jī)組，共安裝18臺機(jī)組。溪洛渡壩址區(qū)河段順直，兩岸山體完整，呈對稱的U形河谷，引水發(fā)電系統(tǒng)順應(yīng)兩岸地形條件呈基本對稱的布置格局，左、右岸各成一套獨(dú)立的系統(tǒng)。引水發(fā)電系統(tǒng)由電站進(jìn)水口、壓力管道、主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、尾水洞、尾水洞出口等建筑物組成。

溪洛渡水電站尾水系統(tǒng)采用“三機(jī)一室一洞”布置方式，尾水連接管與尾水洞的連接方式采用在調(diào)壓室室外交匯方式。尾水岔洞是由尾水支洞和尾水主洞交叉而成，形成三維空間隧洞結(jié)構(gòu)，在交叉口處隧洞最大跨度約為28m，高度20m。岔洞體型及結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，既承受施工期的內(nèi)外水壓力、圍巖開挖釋放應(yīng)力和灌漿壓力，又受到運(yùn)行期調(diào)壓室涌浪壓力作用，因此在尾水岔洞設(shè)計(jì)中既采用了常規(guī)方法又采用了三維有限元分析方法，通過兩種方法分析計(jì)算，提出了尾水岔洞施工期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)配筋。

2 尾水岔洞開挖支護(hù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 尾水岔洞地質(zhì)條件

尾水岔洞深埋段上覆巖體厚500m左右，水平埋深500～700m。岔洞頂拱巖性為P2β5的玄武巖和上部的角礫集塊熔巖以及P2β6下部的斑狀玄武巖。邊墻巖性大部分為P2β5層的致密狀玄武巖，下部為P2β4層角礫集塊熔巖，巖流層產(chǎn)狀為N25°～35°，E/SE∠7°～15°。巖體層間錯動帶總體不太發(fā)育。C5層間錯動帶分布較連續(xù)，錯動面起伏粗糙，錯動帶一般寬5～15cm，由角礫組成，局部有少量巖屑，工程類型以裂隙巖塊型為主。層內(nèi)錯動帶在P2β5層下部致密狀玄武巖和P2β6層中部斑狀玄武巖內(nèi)較發(fā)育，局部呈帶狀分布，擠壓緊密，工程類型多為裂隙巖塊型，部分為含巖屑角礫型，巖體較破碎，呈鑲嵌結(jié)構(gòu)。

尾水岔洞沿線巖體節(jié)理裂隙不發(fā)育，優(yōu)勢方向主要有：①N60°～80°E/SE∠65°～75°；②N40°～60°W/SW∠70°～80°。③N10°～20°W/SW∠40°～50°，④N20°～40°E/NW∠60°～80°；⑤N40°～60°E/SE(NW)∠20°～40°；⑥N20°～40°W/NE(SW)∠10°～20°。巖層透水性微弱，地下水不活躍。圍巖類別以Ⅱ類為主，有較好的圍巖穩(wěn)定條件；局部層間、層內(nèi)錯動帶發(fā)育段為緊密鑲嵌結(jié)構(gòu)，圍巖類別為Ⅲ1類。圍巖的物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

初始地應(yīng)力在水平和垂直埋深超過250m處，三向主應(yīng)力分別為：σ1=-15.0～-18.0 MPa，近水平，方向?yàn)镹60°～70°W,σ2=-10.0～-15.0 MPa，近垂直方向，σ3=-4.0～-7.5 MPa，近水平。

2.2 尾水岔洞的施工期三維有限元計(jì)算分析

鑒于溪洛渡尾水洞規(guī)模大、結(jié)構(gòu)型式較復(fù)雜，設(shè)計(jì)選取了左岸2號尾水洞為代表，對尾水岔洞圍巖穩(wěn)定及襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元計(jì)算分析，了解尾水岔洞施工期工況下的圍巖應(yīng)力、位移、變形和塑性

表1 尾水岔洞圍巖分類及物理力學(xué)參數(shù)建議值

區(qū)等情況，并進(jìn)行研究比較，提出推薦的支護(hù)型式；根據(jù)各計(jì)算斷面地質(zhì)資料和內(nèi)、外水頭值，計(jì)算尾水岔洞襯砌結(jié)構(gòu)在施工期、運(yùn)行期及檢修期的應(yīng)力、變形，提出合理的配筋面積。

采用FLAC3D程序建立三維分析模型，模擬實(shí)際施工過程，研究噴錨支護(hù)的施工過程；永久襯砌與圍巖的相互作用以及外、內(nèi)水荷載、回填灌漿壓力對圍巖穩(wěn)定的影響；分析圍巖在各階段的變形場與應(yīng)力場、塑性區(qū)等及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形特點(diǎn)。

模型模擬的范圍為：順尾水流向400m，順尾水調(diào)壓室橫軸方向350m，計(jì)算模型的頂部取到地面，上覆巖層厚度為500m，底部取到尾水洞底板以下75m高程。整個模型全部采用六面體八節(jié)點(diǎn)單元，共有單元66 850個，節(jié)點(diǎn)71 722個。在2號尾水洞周圍的網(wǎng)格尺寸相對較小，對地層的模擬比較細(xì)致，而在近地面區(qū)域，單元尺寸較大?？紤]1號尾水洞和3號尾水洞距離2號尾水洞較近，對其有影響，為了便于建模，進(jìn)行了一定的簡化，將洞形由城門洞形變成了矩形。三維模型見圖1。2號尾水洞計(jì)算平面見圖2。

計(jì)算中施工期回填灌漿壓力0.3MPa，運(yùn)行期最大內(nèi)水壓力81.18m水頭，檢修期最大外水壓力43.4m(外水壓力折減系數(shù)按0.8計(jì)算)。

尾水洞開挖順序?yàn)椋喊凑諊鷰r穩(wěn)定最不利的開挖順序，即先開挖1號尾水洞和3號尾水洞，再開挖尾水調(diào)壓室，最后開挖2號尾水洞，所有開挖都是一次成洞。整個開挖過程由7個開挖步組成。

2.2.1 施工期圍巖穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

(1) 構(gòu)造應(yīng)力作用下無支護(hù)開挖計(jì)算成果

圖1 溪洛渡左岸尾水岔洞三維模型示意

考慮構(gòu)造應(yīng)力的作用，在無支護(hù)情況下，左岸尾水洞圍巖變形、塑性區(qū)、應(yīng)力集中和釋放都主要發(fā)生在尾水洞的6號岔洞和5號岔洞，而4號岔洞的變形和塑性區(qū)則較小。無論哪種工況，頂拱最大沉降都發(fā)生在6號岔洞和5號岔洞，這是最危險(xiǎn)區(qū)域，是觀察注意的重點(diǎn)區(qū)。在6號和5號岔洞，頂拱和底板處有部分巖體進(jìn)入了塑性區(qū)，但塑性區(qū)范圍都不大，約2～3m；應(yīng)力釋放區(qū)域也不大，主要集中在6號和5號岔洞頂拱之間的區(qū)域。

由于水平方向應(yīng)力的增大，邊墻位移(即X和Y方向位移)比只考慮自重作用時有了明顯的增加，對開挖穩(wěn)定有利，特別是在邊墻與C5斷層相交的區(qū)域，出現(xiàn)了較大的水平變形，因此在開挖時應(yīng)該注意對這一部位的監(jiān)測。

開挖過程中的位移、應(yīng)力特性值見表2。

(2) 構(gòu)造應(yīng)力作用下有支護(hù)開挖計(jì)算成果。根據(jù)工程類比初擬尾水岔洞主要支護(hù)參數(shù)為：

圖2 左岸2號尾水岔洞計(jì)算平面

開挖步位移/mm最小主應(yīng)力σ3/MPa最大主應(yīng)力σ1/MPa拱頂?shù)装宀矶错敼芭c邊墻相交處拱頂兩側(cè)及岔洞邊墻主洞及岔洞開挖-34.011.3-26.206號支洞開挖-44.015.4-26.805號支洞開挖-46.015.0-29.904號支洞開挖-47.015.0-26.40.9

Ⅱ類圍巖尾水主洞洞段，沿頂拱和側(cè)墻設(shè)系統(tǒng)錨桿φ25,長4.5m，間、排距1.5m，外露0.5m，梅花形布置。

Ⅲ1類圍巖尾水主洞洞段，沿頂拱系統(tǒng)錨桿φ28,長6.0m，間、排距1.2m，外露0.5m，梅花形布置；沿側(cè)墻設(shè)系統(tǒng)錨桿φ25,長4.5m，間、排距1.5m，外露0.5m，梅花形布置。

Ⅲ2～Ⅳ類圍巖尾水主洞洞段，沿頂拱系統(tǒng)錨桿φ28,長6.0m；φ32,長9.0m；間、排距1.2m，外露0.5m，交錯布置。沿側(cè)墻設(shè)系統(tǒng)錨桿φ25,長4.5m；φ28,長6.0m；間、排距1.5m，外露0.5m，交錯布置。

在開挖的同時進(jìn)行錨桿支護(hù)模擬，錨桿單元的參數(shù)見表3。模擬時共生成錨桿單元6 504個。

表3 錨桿單元參數(shù)

考慮構(gòu)造應(yīng)力的作用，在系統(tǒng)錨桿支護(hù)情況下，左岸尾水洞圍巖的變形、塑性區(qū)、應(yīng)力集中和釋放都主要發(fā)生在6號岔洞和5號岔洞，而4號岔洞變形和塑性區(qū)則較小。無論哪種工況，頂拱最大沉降仍然都發(fā)生在6號岔洞和5號岔洞。在6號和5號岔洞處，頂拱和底板處有部分巖體進(jìn)入了塑性區(qū)，但塑性區(qū)范圍及應(yīng)力釋放區(qū)域也不大。

從無支護(hù)開挖與支護(hù)開挖計(jì)算結(jié)果對比來看，兩者的變形量基本一致；支護(hù)開挖時最大拉應(yīng)力比無支護(hù)時要小0.1MPa左右。

開挖支護(hù)后的位移、應(yīng)力特征值見表4。

各斷面的錨桿軸力分布表明，斷面兩側(cè)軸力基本在300kN以內(nèi)，說明采用的錨固支護(hù)方案可行。

表4 開挖支護(hù)后位移、應(yīng)力特性值

(3)尾水岔洞支護(hù)開挖支護(hù)設(shè)計(jì)

通過對2號尾水岔洞開挖條件下圍巖穩(wěn)定情況的分析，左岸尾水洞圍巖變形、塑性區(qū)、應(yīng)力集中和釋放都主要發(fā)生在6號支洞和5號支洞與主洞交匯區(qū)，頂拱最大變形值47mm，頂拱和底板處有部分巖體進(jìn)入了塑性區(qū)，但塑性區(qū)范圍不大，約2～3m。結(jié)合現(xiàn)場出露的地質(zhì)情況以及考慮到層間層內(nèi)錯動帶的影響，設(shè)計(jì)最終提出的開挖支護(hù)方案為：

沿岔洞頂拱及拱腳以下3m直墻范圍內(nèi)布置系統(tǒng)錨桿φ28,長6.0m；φ32,長9.0m；間、排距1.2m，外露0.5m，交錯布置。沿側(cè)墻布置系統(tǒng)錨桿φ25,長4.5m；φ28,長6.0m；間、排距1.5m，外露0.5m，交錯布置。對于頂拱出露的層間或?qū)觾?nèi)錯動帶，采用φ32，長9.0m的隨即錨桿進(jìn)行鎖口支護(hù)。沿頂拱和側(cè)墻噴混凝土，厚10cm，頂拱掛鋼筋網(wǎng)φ6.5,網(wǎng)格尺寸0.15m×0.15m 。

從現(xiàn)場開挖施工及圍巖變形監(jiān)測成果來看，尾水岔洞支護(hù)方案是安全合理的。

2.2.2 尾水岔洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)計(jì)算工況。尾水岔洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮了施工期、運(yùn)行期、檢修期三個工況。

(2)計(jì)算結(jié)果。尾水岔洞全部開挖完成后將施加永久性襯砌，混凝土襯砌厚度為1.5m。計(jì)算結(jié)果顯示，以運(yùn)行期為控制工況。在運(yùn)行期工況下，各典型斷面的最大、最小主應(yīng)力分布特征見表5。典型初砌斷面分布見圖3。

圖3 典型襯砌斷面分布

斷面σ1σ3岔洞拱頂最大主應(yīng)力Ⅰ-Ⅰ1.72-0.84Ⅱ-Ⅱ1.22-15.75Ⅲ-Ⅲ1.39-0.85Ⅳ-Ⅳ1.13-0.86Ⅴ-Ⅴ0.94-24.192.96

(3)配筋設(shè)計(jì)。從三維有限元計(jì)算成果來看，尾水岔洞應(yīng)力較小?？紤]到有限元計(jì)算無法模擬一些特定的地質(zhì)現(xiàn)象，如軟弱結(jié)構(gòu)面等，實(shí)際配筋參數(shù)還要根據(jù)與之相連接的尾水支洞和主洞的結(jié)構(gòu)配筋情況來綜合選取。尾水支洞和主洞為標(biāo)準(zhǔn)的城門洞形斷面，采用規(guī)范推薦的邊值法計(jì)算，其配筋成果為：

Ⅲ1類圍巖主洞：內(nèi)層9φ32，拱腳和墻腳9φ25加強(qiáng)短筋；外層9φ36；分布鋼筋φ25@20cm。

Ⅲ1類圍巖支洞：內(nèi)層8φ32，拱腳8φ20加強(qiáng)短筋；外層8φ28；分布鋼筋φ20@20cm。

綜合主、支洞配筋，尾水岔洞實(shí)際配筋參數(shù)為：內(nèi)層9φ32，拱腳和墻腳9φ25加強(qiáng)短筋；外層9φ36；分布鋼筋φ25@20cm。在岔洞三角形平頂拱區(qū)域，不布設(shè)分布鋼筋，采用三向受力主筋交匯的方式布置，以加強(qiáng)頂拱的受力。此外，岔洞初期支護(hù)的錨桿外露0.5m，混凝土澆筑時需焊接相同直徑的鋼筋，與襯砌內(nèi)層鋼筋焊接，以加強(qiáng)襯砌的整體性，使圍巖與襯砌更緊密結(jié)合，共同承載。

3 討 論

在對尾水岔洞分析過程中，由于沒有尾水岔洞位置的實(shí)測應(yīng)力值，計(jì)算中利用附近實(shí)測應(yīng)力點(diǎn)對岔洞部位進(jìn)行了初始地應(yīng)力反演計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可能會與實(shí)際地應(yīng)力有所出入，從而影響尾水岔洞的圍巖應(yīng)力情況。在三維建模過程中，岔洞周邊的圍巖的節(jié)理、裂隙還無法模擬，可能也會對計(jì)算結(jié)果有所影響。目前，在對隧洞的圍巖進(jìn)行力學(xué)分析時，計(jì)算采用天然狀態(tài)下圍巖參數(shù)，未考慮在開挖爆破后產(chǎn)生一定范圍的松動圈，表層圍巖的參數(shù)可能要發(fā)生一些變化。

根據(jù)現(xiàn)場尾水洞開挖施工情況，設(shè)計(jì)提出的支護(hù)參數(shù)是合理的。在施工過程中，我們進(jìn)行了動態(tài)設(shè)計(jì)，針對局部巖體進(jìn)行了臨時加固措施，保證了施工期安全。