嚴凱

摘 要：在水電站工程施工過程中，地下洞室過程中，為了保證施工質(zhì)量，應當展開水電站地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析。文章以實際工程為例，對水電站施工中地下洞室圍巖穩(wěn)定性進行了分析，以期優(yōu)化施工效果。

關鍵詞：水電站施工；地下洞室；圍巖穩(wěn)定性

1 前言

隨著水電開發(fā)技術的日益成熟，大型水電樞紐工程的開發(fā)與建設受地區(qū)地形條件限制，多采用地下廠房式布置，進而形成了規(guī)模巨大的地下廠房洞室群，其洞室高邊墻及洞室之間圍巖的穩(wěn)定性成為工程建設中成敗的關鍵因素。

2 地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析概述

地下洞室的穩(wěn)定性課題屬于一項非線性力學問題，較為復雜，一般而言具有非均勻性、非連續(xù)性變形以及大位移等特征。圍巖穩(wěn)定性的主要影響因素主要包括兩個方面：天然地質(zhì)條件以及工程因素。天然地質(zhì)條件方面涉及到初始地應力場、地質(zhì)構造、地下水情況、圍巖結(jié)構等；工程因素涵蓋了洞室實際情況、洞室開挖施工、支護形式等。

近年來，巖石力學理論以及測試技術不斷發(fā)展，電子計算機技術以及有限元方法得到了推廣和應用，再加上科研工作者堅持不懈的努力，涌現(xiàn)出了許多新的研究方法，在巖體構造以及力學特征、地下圍巖不穩(wěn)定機理以及支護受力機制方面的研究，新設計理論以及方法等方面的研討都取得了可喜的成果，為地下圍巖的穩(wěn)定性分析與評價提供了支持和途徑。然而作為地下工程的根源問題之一的圍巖失穩(wěn)分析，現(xiàn)階段尚沒有構成統(tǒng)一理論，針對地下圍巖穩(wěn)定性進行分析，主要是通過分析與考慮具體的地質(zhì)條件和工程的情況要求，結(jié)合多種方法進行綜合評價，因此有必要總結(jié)目前的地下洞室穩(wěn)定性分析，以助力工程實踐中可以進行科學判斷。

3 地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析思路

洞室圍巖穩(wěn)定性分析是多學科理論方法、專家經(jīng)驗、監(jiān)測量與計算機技術綜合集成的科學。洞室失穩(wěn)是一個極其復雜的力學過程，在實際工程中更是受到了許多因素的影響。通常伴隨著非均勻性、非連續(xù)性變形和大位移，是一個高度非線性的問題。

洞室圍巖的穩(wěn)定性與洞室開挖過程中應力的分布情況和圍巖的強度有著直接的關系，而且應力的分布情況與洞室初始應力的基本特征、洞室斷面的形狀有著密切的關系。初始應力的大小和方向直接決定著洞室?guī)r體的變形程度和穩(wěn)定性。通過試驗得出結(jié)論，在應力較小的范圍內(nèi)，圍巖的變形情況、穩(wěn)定性具有塌滑的特征，也就是洞室頂部掉塊現(xiàn)象比較頻繁；在應力較大的范圍內(nèi)，主要表現(xiàn)為塑形變形現(xiàn)象或者巖爆現(xiàn)象。在高應力地區(qū)完整的巖體中，由于巖體受到地殼運動的影響，聚合著較大的彈性應變力，形成高強度的初始應力。一旦開始開挖工作，無法確定出邊界點，并且在高應力的影響下，巖塊會受到破壞，從而出現(xiàn)“巖爆”現(xiàn)象。

4 水電站施工中地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析

某水電站是下游河段梯級開發(fā)的最上游一級電站。江河洪水流量較大，泄洪建筑物規(guī)模較大，而發(fā)電水頭相對較小，引用流量大，廠房的規(guī)模較大（最大跨度27.4m）。壩址河谷較狹窄，左岸地質(zhì)條件較差，經(jīng)綜合比較選擇右岸地下廠房方案。地下廠房區(qū)三大洞室圍巖為白堊系下統(tǒng)景星組下段變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖夾灰白色石英砂巖。

4.1 洞室群穩(wěn)定性勘察研究

前期針對電站可能布置的地下洞室區(qū)展開詳細的地質(zhì)調(diào)查，宏觀的分析地質(zhì)環(huán)境，初步認識巖性、構造以及地應力、巖體的物理力學特點，結(jié)合樞紐建設要求，初步確定地下廠房位置實施勘探。主要通過勘探平洞、鉆孔、地應力測試等手段進行勘探試驗?？碧狡蕉床贾眠^程中，在廠房的拱座高程位置沿初期制定的主廠房的軸線實施，再打支洞到尾水調(diào)壓室，沿初定的尾水調(diào)壓室軸線進行平洞揭示。平洞的深度要可以控制與穩(wěn)定兩個端墻，由此勘探平洞就可以控制三大洞室頂部的地質(zhì)狀況。接著在洞內(nèi)確定合適的位置實施鉆孔，鉆孔的深度要深入到洞室的底板，這一可以更加全面的了解待開挖洞室的地質(zhì)條件，例如巖體的類別、構造發(fā)育以及地下水情況等。通過平洞及鉆孔，能夠較為詳細的掌握廠區(qū)的地質(zhì)情況。繼而充分的利用勘探平洞采集地質(zhì)資料，包括巖性、地應力的表現(xiàn)等，實施巖體類型的劃分，在此基礎上實施地應力測試以及巖體物理力學性質(zhì)的試驗。

4.2 初始應力場特征

地下廠房區(qū)初始應力場是一個以自重為主體，受構造影響的中低地應力場；主應力的值基本上是從上到下逐漸加大，第三主應力的方向與廠房縱軸線有較大的交角，第一、二主應力的方向與廠房縱軸線交角較小。最大主應力：σ1=10-13MPa，方位：N28°-30°E，中間主應力：σ2=5-8MPa，方位：N56°E-S82°E，最小主應力：σ3=4-6MPa，方位：S3°-44E。其中最大主應力方向與廠軸交角<25°，有利于地下廠房洞室的穩(wěn)定。

4.3 開挖后應力分布特征

通過反演計算分析，除了洞室交叉部位和洞室拱座處有應力集中現(xiàn)象外，整個洞室群開挖后圍巖應力分布規(guī)律正常，應力狀態(tài)良好。地下廠房三大洞室圍巖應力分布規(guī)律為：開挖過程中洞周的切向應力不斷增加，徑向應力變化幅度不大，主變洞的尺寸較小，洞室的高度不大，應力分布相對比較均勻，尾調(diào)室由于其開挖跨度大，洞室高，故應力值相對較大。

4.4 圍巖松弛特征

對地下洞室圍巖松弛帶厚度確定主要依據(jù)測試孔單孔聲波法縱波速度曲線中較明顯的拐點判斷，經(jīng)測試，三大洞室圍巖體松馳圈厚度變化較大，最淺<1m，最深達4.0m，平均1.7m；松馳圈巖體波速在2150m/s～3810m/s之間變化，平均波速為3440m/s；松馳帶以內(nèi)較完整巖體平均波速為4910m/s。

4.5 圍巖變形總體特征

本區(qū)巖體屬陡傾層狀結(jié)構，其物理力學特性具有明顯的各向異性性，圍巖的變形特征與巖層的產(chǎn)狀密切相關。在巖層傾向的不同方向，巖體的破壞特性也各不相同，其破壞形式主要表現(xiàn)為拉裂破壞順層滑移和彎折傾倒變形。研究表明，洞室高邊墻的位移隨層面傾角先增大后減小，反傾向一側(cè)的位移在傾角為60°達到最大，順傾向側(cè)洞周位移要小于反傾向側(cè)的位移。

監(jiān)測結(jié)果表明，三大洞室圍巖變位主要發(fā)生在洞室開挖階段，各點變位過程呈臺階狀，與洞室分層分段開挖的過程相對應。圍巖基本屬于淺表部卸荷變形，變形主要發(fā)生在圍巖內(nèi)0-7m范圍內(nèi)。受地質(zhì)結(jié)構面的影響，個別部位在圍巖內(nèi)部7-15m之間有一定變位。頂拱下沉與底板回彈量均較小，頂拱變位一般在2-10mm；邊墻變位較大，特別是邊墻中部變位一般較大，且上游邊墻（反傾向一側(cè)）圍巖變形較下游側(cè)（順傾向一側(cè)）大，其中主廠房上游邊墻圍巖變形和錨固應力均較大。圍巖變形普遍在30mm左右，部分點位達到80mm以上，洞室開挖完成后進入應力調(diào)整階段，圍巖變位仍有緩慢發(fā)展。

5 結(jié)束語

綜上所述，近些年，關于巖石的破壞、失穩(wěn)、突變的相關研究，為圍巖的穩(wěn)定性分析提供了有力的理論方法。伴隨著計算科學和有關學科的不斷進步，其分析和研究結(jié)果將更擁有現(xiàn)實意義。要想實現(xiàn)洞室圍巖穩(wěn)定性較為全面、深入的研究，就需要結(jié)合實際情況，通過利用系統(tǒng)化的理論和方法來進行.并且在開展地下洞室穩(wěn)定性識別判定過程中，務必參考穩(wěn)定性判據(jù)的實踐經(jīng)驗和可靠數(shù)據(jù)，與此同時考慮工程中各量測值的變化情況，從而提高穩(wěn)定性分析的科學性。

參考文獻：

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