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        小型水工隧洞設(shè)計(jì)中的幾個(gè)工程地質(zhì)問(wèn)題

        2015-05-17 09:53:04余國(guó)慶盧增梅
        小水電 2015年3期
        關(guān)鍵詞:淳安縣抗力水工

        余國(guó)慶 盧增梅

        (淳安縣水利水電局,浙江淳安311700)

        小型水工隧洞設(shè)計(jì)中的幾個(gè)工程地質(zhì)問(wèn)題

        余國(guó)慶 盧增梅

        (淳安縣水利水電局,浙江淳安311700)

        水工隧洞是水利水電樞紐中較復(fù)雜的建筑物之一,涉及的地質(zhì)問(wèn)題較多。對(duì)小型水工隧洞的主要工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行了分析,討論了水工隧洞洞線布置中考慮的地質(zhì)因素,提出了小型水工隧洞設(shè)計(jì)中確定圍巖壓力與抗力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)方法,對(duì)小型水工隧洞的勘察設(shè)計(jì)工作具有一定的指導(dǎo)作用。表1個(gè)。

        水工隧洞;洞室走向;最小覆蓋厚度;堅(jiān)固系數(shù);彈性抗力系數(shù)

        1 概 述

        水工隧洞可以作為發(fā)電及灌溉的引水建筑,也可以作為排除洪水的泄水導(dǎo)流建筑,在水利水電工程中具有廣泛的應(yīng)用。水工隧洞分為有壓與無(wú)壓式兩種,前者多具圓形的斷面,后者常采用馬蹄形或城門洞形。

        浙江省淳安縣已建成的水工隧洞洞徑一般都在5m以下,只有少數(shù)泄洪洞達(dá)5m以上。由于前期地質(zhì)工作沒(méi)有引起足夠重視,曾有部分工程出現(xiàn)了一些工程安全問(wèn)題。因此,在設(shè)計(jì)工作中,必須注意水工隧洞的地質(zhì)問(wèn)題,合理選定隧洞軸線和圍巖的地質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)。

        2 水工隧洞的主要地質(zhì)問(wèn)題

        2.1 坍塌

        小型水利水電工程往往由于建設(shè)資金原因,地質(zhì)勘探工作不到位,缺乏隧洞所在場(chǎng)區(qū)的詳細(xì)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料,致使設(shè)計(jì)人員進(jìn)行隧洞設(shè)計(jì)時(shí),將隧洞軸線選在了不良的地質(zhì)地段,沒(méi)有避開(kāi)斷裂、節(jié)理裂隙、溶洞發(fā)育帶等不良地質(zhì)構(gòu)造,如不及時(shí)采取有效的工程措施,可能會(huì)發(fā)生坍塌。如淳安縣河村水庫(kù)泄洪、發(fā)電二合一隧洞,圍巖為泥質(zhì)灰?guī)r,洞線與斷層走向小角度相交,施工期間隧洞沿線就出現(xiàn)大范圍塌方。

        2.2 涌水

        涌水是隧洞施工中常見(jiàn)的地質(zhì)問(wèn)題。隧洞掘進(jìn)過(guò)程中,破壞了賦水結(jié)構(gòu)的邊界,改變了地下水的水動(dòng)力條件,致使隧洞作為排泄通道溝通了與含水層的聯(lián)系,可引起軟弱體出現(xiàn)滲透變形,產(chǎn)生隧洞塌方冒頂;也可引起淺層地下水疏干枯竭、農(nóng)田漏水、井泉干枯等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。如淳安縣楓樹(shù)嶺水電站引水隧洞施工中,就曾出現(xiàn)洞頂沖溝斷流、山泉枯竭現(xiàn)象。

        2.3 巖爆

        巖爆是指在地下洞室開(kāi)挖后,周邊圍巖產(chǎn)生脆性破壞而突然釋放的彈性能使巖石高速?gòu)椛洳橛许懧?,從而擊壞設(shè)備或傷及施工人員。高地應(yīng)力是巖爆產(chǎn)生的外因,脆硬、新鮮完整的巖體是巖爆產(chǎn)生的內(nèi)因。如淳安衍昌水電站引水發(fā)電隧洞,圍巖為粗粒斑狀花崗巖,巖體新鮮完整,洞室埋深達(dá)180m,洞體形成后發(fā)現(xiàn)巖石破裂聲并伴有厚4~10cm片石剝落,持續(xù)時(shí)間近20d。

        3 洞線布置中考慮的地質(zhì)因素

        水工隧洞洞線應(yīng)在滿足樞紐總體布置的條件下,選擇在沿線地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、巖體穩(wěn)定完整、上覆厚度適中、水文地質(zhì)條件有利、施工方便的地段。隧洞通過(guò)不良地質(zhì)構(gòu)造時(shí),會(huì)使隧洞巖體失穩(wěn)的機(jī)率增大。

        3.1 洞室走向

        洞室的走向應(yīng)根據(jù)隧洞通過(guò)區(qū)的巖層和主要地質(zhì)構(gòu)造特征,發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)條件以獲得最大的承載能力,使洞線與巖層面、構(gòu)造面、主要軟弱帶有較大的夾角。對(duì)整體塊狀結(jié)構(gòu)巖體及厚層膠結(jié)緊密、堅(jiān)硬巖體,交角不宜小于30°;對(duì)薄層巖體,特別是層間結(jié)合疏松的薄層狀巖體,交角不宜小于45°,這在隧洞選型中已形成了共識(shí)。

        隧洞經(jīng)過(guò)層次凌亂、構(gòu)造復(fù)雜的地層,或有侵入巖脈穿插于巖體時(shí),裂隙水常沿此擠壓破碎帶滲入,加速風(fēng)化作用,引起洞頂坍方、掉塊及超挖等問(wèn)題。如淳安縣云港一級(jí)水電站,開(kāi)挖洞徑3.6m,當(dāng)隧洞進(jìn)入奧陶系鈣質(zhì)泥巖與侏羅系晶屑凝灰?guī)r接觸帶后,隧洞邊挖邊坍,采用超前錨桿處理后方可繼續(xù)掘進(jìn)。

        3.2 最小覆蓋層厚度

        水工隧洞最小覆蓋厚度要根據(jù)地形地質(zhì)、內(nèi)外水壓力、成洞條件和圍巖滲透性等綜合考慮。由于覆蓋厚度不足出現(xiàn)事故或大量滲水的工程實(shí)例較多,是水工隧洞設(shè)計(jì)人員最為關(guān)注的問(wèn)題之一。如淳安縣鄭中水電站引水發(fā)電洞,巖性為中厚層泥質(zhì)灰?guī)r,洞徑2.0m,發(fā)電水頭85m,由于下平洞圍巖厚度不足30m,在充水試驗(yàn)中,發(fā)生了圍巖抬動(dòng)、地表冒水、鋼筋混凝土襯砌開(kāi)裂破壞的事故。

        對(duì)無(wú)壓隧洞圍巖的最小厚度在相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中沒(méi)有具體的規(guī)定,但從圍巖二次應(yīng)力分布特征和形成坍落拱條件可知,隧洞頂板的新鮮巖層應(yīng)有足夠的厚度,盡可能避免隧洞穿過(guò)頂板厚度小于3倍洞徑的地層。如淳安縣下坂水電站引水隧洞,洞徑2.0m×2.5m,該洞傍山布置,局部圍巖厚度小,施工中就出現(xiàn)多處塌方,大大增加了襯砌工程投資。

        有壓隧洞的最小覆蓋厚度應(yīng)能保證圍巖不產(chǎn)生滲漏失穩(wěn)和水力劈裂。對(duì)淺埋、特別是傍山隧洞,圍巖的構(gòu)造應(yīng)力已釋放,初始應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力。對(duì)自重應(yīng)力場(chǎng),垂直應(yīng)力σv為上部巖體自重所產(chǎn)生,而水平應(yīng)力:

        對(duì)陡傾地表?xiàng)l件下有壓隧洞最小覆蓋厚度按下式計(jì)算:D=Kγhs/γRcosα

        式中,μ為巖體的泊松比,一般為0.20~0.35;D為洞軸線埋深;γR為巖體的重度;K為安全系數(shù)(1.1~1.3);洞內(nèi)水頭為hs;α為傾斜地表坡角;γ為水的重度。

        從上述兩式可知:水平方向應(yīng)力σh約為垂直方向應(yīng)力σv的1/3上下,沿垂直方向的裂隙易產(chǎn)生水力劈裂,如巖體的重度取25kN/m3、水的重度取10kN/m3,對(duì)無(wú)襯砌或素混凝土襯砌,最小覆蓋厚度按不小于1倍內(nèi)水壓力水頭控制;對(duì)鋼筋混凝土襯砌,按不小于0.4倍內(nèi)水壓力水頭控制,能滿足圍巖上抬與最小主應(yīng)力準(zhǔn)則之要求。

        4 圍巖壓力與抗力系數(shù)

        圍巖對(duì)襯砌的影響,可用適當(dāng)方法求出的主動(dòng)力(圍巖壓力)和被動(dòng)力(彈性抗力)的作用來(lái)代替,這兩個(gè)力的大小將直接影響到設(shè)計(jì)的襯砌厚度;而圍巖壓力、巖石彈性抗力的確定,是一個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題。如果條件許可,最好采用原位測(cè)定,盡可能消除人為誤差。對(duì)小型水工隧洞,由于圍巖壓力與抗力系數(shù)的實(shí)測(cè)工作費(fèi)用較大,一般不可能實(shí)驗(yàn)測(cè)定,通常根據(jù)巖體抗壓強(qiáng)度R、變形模數(shù)E,間接計(jì)算或按工程類比法取得。

        4.1 堅(jiān)固系數(shù)

        圍巖的堅(jiān)固系數(shù)簡(jiǎn)稱普氏系數(shù),其理論值為f=τ/σ=tgα+c/σ,并據(jù)此確定坍落拱高度。f值實(shí)際上是一個(gè)隨應(yīng)力變化而變化的函數(shù),可作為綜合性的圍巖壓力系數(shù)來(lái)看。對(duì)小型水工隧洞的堅(jiān)固系數(shù)可按經(jīng)驗(yàn)公式:f=k*R/100取值。

        式中,R為巖石單軸抗壓強(qiáng)度;k為修正系數(shù),對(duì)微風(fēng)化完整巖:0.5~0.6;弱風(fēng)化巖:0.4~0.5;裂隙發(fā)育巖:0.3~0.4;有規(guī)模較小的斷層:0.2~0.3;有規(guī)模較大的斷層并含地下水:0.1。

        4.2 彈性抗力系數(shù)

        圍巖抗力系數(shù)是圍巖產(chǎn)生單位變形時(shí),單位面積上所需要的壓力,它的大小與巖體性質(zhì)和隧洞尺寸有關(guān)。圍巖的彈性抗力系數(shù)越大,對(duì)襯砌的反力也越大,它就有可能分擔(dān)更多的內(nèi)水壓力。

        彈性抗力系數(shù)公式為:K0=E/r(1+μ)

        式中,E為巖體的變形模量(kg/cm2);r為隧洞半徑(cm);μ為巖體的泊松比。

        小型水工隧洞可以用巖石室內(nèi)彈模試驗(yàn)資料的彈形模量代之,并在上式中乘以系數(shù)0.1~0.5修正;對(duì)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、張開(kāi)度大者則取小值。

        4.3 彈性抗力系數(shù)、堅(jiān)固系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)取值

        從巖體f、K0的物理力學(xué)概念分析,其與巖石強(qiáng)度、彈性模量有關(guān),也受巖體裂隙發(fā)育程度、張開(kāi)與充填物影響。福建水電設(shè)計(jì)院通過(guò)260組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析,堅(jiān)固系數(shù)、單位彈性抗力系數(shù)在量上有很好的相關(guān)。根據(jù)淳安縣小型水工隧洞工程設(shè)計(jì)實(shí)例,巖石堅(jiān)固系數(shù)(f)和抗力系數(shù)(K0)經(jīng)驗(yàn)取值如下所示(見(jiàn)表1)。

        表1 水工隧洞圍巖地質(zhì)參數(shù)建議值

        5 結(jié) 論

        隧洞工程是水利水電工程建設(shè)中較為復(fù)雜的建筑物之一,地質(zhì)因素影響較大。為此,在水工隧洞設(shè)計(jì)中,必須充分利用現(xiàn)有的地形地質(zhì)資料,在查清隧洞沿線地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,合理選擇進(jìn)、出口位置和洞軸線布置方案,而在施工中因地質(zhì)條件變化而調(diào)整洞線方案是極不慎重的。小型水工隧洞限于資金技術(shù)原因,圍巖壓力、彈性抗力系數(shù)不能實(shí)驗(yàn)測(cè)定,因此,必須加強(qiáng)施工地質(zhì)工作,根據(jù)洞室圍巖特征、自穩(wěn)條件等,合理選用f、K0等地質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù),經(jīng)工程實(shí)踐檢驗(yàn)一般能滿足水工隧洞的施工與運(yùn)行安全。

        [1] 陸兆溱.工程地質(zhì)學(xué)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1989.

        [2] 呂有年.水工壓力隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算與巖石抗力系數(shù)問(wèn)題[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010.

        [3] 祁慶和.水工建筑物[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1987.

        [4] SL279—2002,水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [5] 劉啟釗.水電站[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1986.

        責(zé)任編輯 吳 昊

        2014-12-31

        余國(guó)慶(1964-),男,高級(jí)工程師,主要從事水利工程建設(shè)管理與勘察設(shè)計(jì)工作。

        E_mail:yugq64@163.com

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