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