漆祖芳，孔 建，饒志文，王 潔，郭鴻俊

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

導流隧洞是水利水電工程施工期臨時性水工隧洞。為避免單條導流隧洞斷面尺寸大、線路長、布置受限，且穿越不良地質條件概率大的問題，大江大河上水利水電工程一般布置多條導流隧洞。因此施工期導流隧洞群圍巖穩(wěn)定控制十分重要。袁延國等[1]對糯扎渡水電站左岸1號、2號導流隧洞穿越F3斷層的開挖支護方案進行了總結分析，提出采用上下分層開挖、預留核心土開挖法，并用小導管超前支護，及時噴混凝土封閉開挖面并采用鋼支撐緊急跟進，保證了圍巖的穩(wěn)定性和施工安全；余傳永[2]通過對小灣水電站左岸1號、2號導流隧洞進口漸變段不良地質洞段開挖支護方案進行總結分析，提出施工期采用3層開挖，水泥卷式預應力錨桿、中空自進式錨桿、工字鋼支撐、噴鋼纖維混凝土支護等綜合開挖支護手段，保障了洞室開挖穩(wěn)定性；劉強等[3]依托西南某水電站3號導流隧洞穿越F13斷層洞段，采用3DEC軟件對深埋斷層節(jié)理洞段開挖和支護進行數值模擬和研究分析，為圍巖開挖支護方案擬定提供了支撐；邊波等[4]依托楊房溝水電站導流隧洞變質粉砂巖洞段，通過分小層開挖，增設錨筋束框架梁與鋼拱架、錨筋樁聯合支護，保證了圍巖的穩(wěn)定性；盧平等[5]分析了復雜特殊地質條件下特大斷面導流隧洞的施工難點和存在的問題，系統(tǒng)分類總結了導流隧洞在不同復雜地質條件下的開挖和支護方法，為復雜地質條件的特大斷面導流隧洞施工提供了借鑒和參考；俞祥榮[6]開展了大型水電站不良地質段大斷面導流隧洞圍巖穩(wěn)定與施工技術研究，分析了大斷面地下洞室中的超前支護措施、噴錨支護機理與效果、拱架及鋼筋網支護機理，為類似工程提供了參考。

本文以金沙江下游河段烏東德水電站右岸3～5號導流隧洞上游洞段因民組薄—極薄層大理巖化白云巖為例，通過有限差分數值計算，分析了淺層支護、表層支護、中層支護和深層支護等各單項支護手段與組合支護措施的支護效果，可為類似工程開挖支護方案的設計提供參考。

1 工程概況

烏東德水電站是金沙江下游河段(攀枝花市至宜賓市)烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4個水電梯級中的最上游梯級。烏東德水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高270 m。電站裝機容量10 200 MW，多年平均發(fā)電量389.1億kW·h。

烏東德水電站施工導流采用河床一次斷流、上下游土石圍堰全年擋水、左右岸導流隧洞泄流的方案[7-8]。導流隧洞采用“左2右3、4大1小、4低1高”的布置格局[9]，其中左岸1，2號、右岸3，4號導流隧洞為大低洞，過流斷面尺寸為16.5 m×24.0 m，右岸5號導流隧洞為小高洞，過流斷面尺寸為12.0 m×16.0 m。烏東德水電站樞紐總體布置如圖1所示，高低導流隧洞過流斷面尺寸如圖2所示。

圖1 烏東德水電站樞紐總體布置

圖2 3～5號導流隧洞典型開挖斷面橫剖面(單位：mm)

2 右岸導流隧洞潛在破壞模式分析

2.1 右岸導流隧洞布置

根據地形地質條件，右岸3～5號導流隧洞進洞點順導流隧洞軸線方向依次錯開，其中3號和4號導流隧洞進洞點錯開70.0 m，4號和5號導流隧洞進洞點錯開19.5 m，相鄰導流隧洞間的軸線間距為50.0 m。3號和4號導流隧洞典型開挖斷面尺寸19.9 m×27.2 m，5號導流隧洞典型開挖斷面尺寸14.8 m×18.6 m。3～5號導流隧洞典型開挖斷面橫剖面如圖2～3所示。

圖3 烏東德水電站右岸導流隧洞進口

如表1所示，烏東德水電站1～4號導流隧洞單洞最大開挖面積達到506.89 m2，斷面尺寸大，施工期圍巖穩(wěn)定控制難度大。

表1 國內典型大型導流隧洞工程斷面尺寸

2.2 工程地質條件

表2 烏東德水電站導流隧洞圍巖分類

2.3 巖體力學參數

烏東德壩址區(qū)主要巖體(石)物理力學參數建議值見表3，極薄層狀大理巖化白云巖及其層面抗剪強度建議值見表4。

表3 薄—極薄層狀大理巖化白云巖巖體(石)物理力學參數建議值

表4 極薄層狀大理巖化白云巖及其層面抗剪強度建議值

2.4 破壞模式

該洞段開挖期間，洞室圍巖穩(wěn)定風險較大，其中左側拱座易出現垮塌風險，右側邊墻易出現滑移風險，施工期圍巖潛在破壞模式如圖4所示。

圖4 3～5號導流隧洞潛在破壞模式

3 右岸導流隧洞開挖支護方案

3.1 開挖方案

3.2 支護方案

圖5 3～5號導流隧洞上游因民組洞段典型開挖斷面

表5 3～4號導流隧洞上游因民組洞段典型支護項目

4 施工期應力變形分析

采用有限差分軟件FLAC3D進行計算。本構模型采用FLAC3D中自帶的遍布節(jié)理模型(ubiquitous-joint model)。該模型是摩爾-庫侖模型(Mohr-Coulomb model)的擴展，即在摩爾-庫侖體中增加節(jié)理面，此節(jié)理面也服從摩爾-庫侖屈服準則；系統(tǒng)錨桿、預應力錨桿、超前錨桿、預應力錨索和對穿錨索采用FLAC3D中的CABLE單元進行模擬，噴混凝土及鋼拱架采用SHELL單元進行模擬，錨筋樁采用PILE單元進行模擬。

4.1 計算模型及參數

通過選取典型斷面并沿洞軸線拉伸一定長度的方式建立數值計算模型。選取監(jiān)測資料較多且代表性較好的3號導流隧洞0+260斷面(對應4號導流隧洞0+330斷面、5號導流隧洞0+349.5斷面)作為典型斷面。數值模型X軸方向為垂直水流方向，指向山內側為正；Y軸方向為順導流隧洞軸線方向，指向下游為正；Z軸方向為豎直方向，豎直向上為正。X軸方向長度為397.35 m，Y軸方向長度為18 m(3層單元)，Z軸方向長度為407.2 m，導流隧洞頂的上覆巖體按實際概化選取，計算模型如圖6所示。模型共劃分單元21 678個，節(jié)點29 244個。

圖6 數值計算模型

數值計算模擬的開挖施工及各支護措施支護程序按照現場實際施工程序進行，開挖分層及各層高度如圖5所示；除錨索和錨筋樁采用滯后開挖兩層的方式施工之外，其他支護措施均采用開挖一層、支護一層的施工程序。

3號和4號導流隧洞的開挖松動圈取7～8 m，5號導流隧洞開挖松動圈取4～5 m，如圖7所示。巖體及結構面力學參數采用地質推薦參數的中間值，松動圈內參數根據聲波檢測成果結合施工期反演分析成果選取[13-14]。各參數值如表6所示。

表6 巖體及結構面計算參數取值表

4.2 計算結果

4.2.1 支護措施變形抑制效果

對各支護措施抑制右岸3～4號導流隧洞因民組洞段最大變形、頂拱變形及中隔墻變形的效果進行分析，如表7所示。各支護措施變形抑制貢獻率計算方法為：① 特征點單項支護變形抑制值=特征點毛洞開挖變形量-特征點單項支護條件下變形量；② 特征點組合支護方案下變形抑制值=特征點毛洞開挖變形量-特征點組合支護方案下變形量；③ 特征點單項支護變形抑制貢獻率=特征點單項支護變形抑制值/特征點組合支護方案下變形抑制值量。根據表7計算結果分析如下。

表7 各支護措施對3～4號導流隧洞變形抑制貢獻率

圖7 開挖松動圈分布

(1) 對洞周圍巖最大變形的抑制效果。淺層支護的效果最好，可抑制最大變形的36.4%；其次是深層支護，可抑制最大變形的28.6%；表層支護和中層支護分別可抑制最大變形的21.5%和10.3%。

(2) 對頂拱部位變形的抑制效果。表層支護的效果最好，可抑制頂拱變形的53.7%；淺層、深層和中層支護可一定程度抑制頂拱變形，但最大抑制率僅27.3%。

(3) 對3號和4號導流隧洞中隔墻變形的抑制效果。深層支護的支護效果最好，可抑制中隔墻變形的43.4%；表層支護可抑制中隔墻變形的22.4%；淺層支護和中層支護可分別抑制中隔墻變形的18.6%和13.1%。

4.2.2 支護措施對中隔墻塑性區(qū)抑制效果

各單項支護和組合支護措施條件下，3～4號導流隧洞中隔墻塑性區(qū)分布變化情況如圖8～9所示。

圖8 單項支護措施下導流隧洞中隔墻塑性區(qū)變化

圖9 組合支護措施下導流隧洞中隔墻塑性區(qū)變化

(1) 僅采用單一支護手段的條件下，3～4號導流隧洞開挖至第4或第5層時中隔墻塑性區(qū)貫通，存在中隔墻失穩(wěn)的風險。

(2) 表層+淺層支護手段或表層+淺層+中層支護手段均不能抑制3～4號導流隧洞中隔墻塑性區(qū)貫通，為保障中隔墻安全，需采用表層+淺層+中層+深層支護的綜合支護手段。

4.2.3 導流隧洞支護結構受力分析

為了分析組合支護措施下，3～4號導流隧洞支護結構受力隨隧洞開挖過程中的變化情況，在3號導流隧洞以及3號與4號導流隧洞中隔墻之間，分別選擇不同的代表性錨桿、預應力錨桿和錨索進行受力情況分析。支護措施監(jiān)測點布置如圖10所示。Y1～Y6為代表性預應力錨桿監(jiān)測點，G1～G6為代表性系統(tǒng)錨桿監(jiān)測點；S1～S6為代表性對穿錨索監(jiān)測點，其中S1，S2和S3為1000 kN對穿錨索監(jiān)測點，S4，S5和S6為1500 kN對穿錨索監(jiān)測點。組合支護措施下各支護結構受力隨開挖過程的變化曲線如圖11所示。根據圖10～11分析如下。

圖10 導流隧洞支護措施監(jiān)測點布置

圖11 組合支護措施下導流隧洞支護措施受力隨開挖過程變化曲線

(1) 系統(tǒng)錨桿和預應力錨桿應力隨隧洞開挖逐漸增大；隧洞全部開挖完成時，中隔墻部位G4和G6錨桿的受力分別為427 MPa和222 MPa，中隔墻部位Y4，Y5和G6預應力錨桿的受力分別為346，540 MPa和494 MPa；錨桿受力總體較大，但基本處于安全范圍。

(2) 預應力錨索受力隨隧洞開挖逐漸增大；隧洞全部開挖完成時，中隔墻部位預應力錨索S1，S2和S3的受力分別為1 314，1 624 kN和1 352 kN，S4、S5和S6受力分別為1 793，1 959 kN和18 01 kN；預應力錨索受力總體較大，但基本處于安全范圍。

4.2.4 設計方案支護效果

烏東德水電站右岸3～4號導流隧洞上游因民組洞段最終采用表層+淺層+中層+深層支護相結合的設計支護方案。毛洞開挖條件下與設計支護方案條件下，導流隧洞開挖完成后的變形分布與塑性區(qū)分布如圖12～13所示。結果表明：

(1) 在設計支護方案條件下，該洞段最大變形由毛洞開挖的243 mm降低至108 mm，即設計支護方案有效抑制了導流隧洞開挖期的變形，避免了圍巖過度變形破壞。

圖12 毛洞開挖和設計支護方案下導流隧洞開挖變形分布

圖13 毛洞開挖和設計支護方案下導流隧洞塑性區(qū)分布

(2) 在毛洞開挖條件下，該洞段中隔墻塑性區(qū)貫通，中隔墻失穩(wěn)風險大，而設計支護方案的該洞段中隔墻塑性區(qū)未貫通，即設計支護方案保障了中隔墻安全。

5 結 論

本文以烏東德水電站右岸3～5號導流隧洞上游因民組薄—極薄層大理巖化白云巖洞段為例，通過有限差分數值計算，評價了各單項支護手段和組合支護措施的支護效果，所得結論如下。

(1)淺層支護和深層支護對洞周圍巖最大變形的抑制效果較好；表層支護和淺層支護對頂拱部位變形的抑制效果較好；深層支護和表層支護對3號和4號導流隧洞中隔墻變形的抑制效果較好。

(2) 單一支護手段條件下，3～4號導流隧洞中隔墻在隧洞開挖至第4或第5層時塑性區(qū)貫通，存在失穩(wěn)風險。

(3) 采用表層+淺層支護或表層+淺層+中層支護手段均不能抑制3～4號導流隧洞中隔墻的塑性區(qū)貫通，需采用表層+淺層+中層+深層支護的綜合支護手段保障中隔墻安全。

(4) 設計支護方案可使洞段最大變形由毛洞開挖的243 mm降低至108 mm，有效抑制導流隧洞開挖期變形，且未出現中隔墻塑性區(qū)貫通現象。因此，設計支護方案可有效保障中隔墻安全。