烏東德水電站復(fù)雜地質(zhì)條件下大型導(dǎo)流隧洞群開挖支護(hù)設(shè)計(jì)

漆祖芳，孔 建，饒志文，王 潔，郭鴻俊

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

導(dǎo)流隧洞是水利水電工程施工期臨時(shí)性水工隧洞。為避免單條導(dǎo)流隧洞斷面尺寸大、線路長、布置受限，且穿越不良地質(zhì)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(dǎo)流隧洞。因此施工期導(dǎo)流隧洞群圍巖穩(wěn)定控制十分重要。袁延國等[1]對(duì)糯扎渡水電站左岸1號(hào)、2號(hào)導(dǎo)流隧洞穿越F3斷層的開挖支護(hù)方案進(jìn)行了總結(jié)分析，提出采用上下分層開挖、預(yù)留核心土開挖法，并用小導(dǎo)管超前支護(hù)，及時(shí)噴混凝土封閉開挖面并采用鋼支撐緊急跟進(jìn)，保證了圍巖的穩(wěn)定性和施工安全；余傳永[2]通過對(duì)小灣水電站左岸1號(hào)、2號(hào)導(dǎo)流隧洞進(jìn)口漸變段不良地質(zhì)洞段開挖支護(hù)方案進(jìn)行總結(jié)分析，提出施工期采用3層開挖，水泥卷式預(yù)應(yīng)力錨桿、中空自進(jìn)式錨桿、工字鋼支撐、噴鋼纖維混凝土支護(hù)等綜合開挖支護(hù)手段，保障了洞室開挖穩(wěn)定性；劉強(qiáng)等[3]依托西南某水電站3號(hào)導(dǎo)流隧洞穿越F13斷層洞段，采用3DEC軟件對(duì)深埋斷層節(jié)理洞段開挖和支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬和研究分析，為圍巖開挖支護(hù)方案擬定提供了支撐；邊波等[4]依托楊房溝水電站導(dǎo)流隧洞變質(zhì)粉砂巖洞段，通過分小層開挖，增設(shè)錨筋束框架梁與鋼拱架、錨筋樁聯(lián)合支護(hù)，保證了圍巖的穩(wěn)定性；盧平等[5]分析了復(fù)雜特殊地質(zhì)條件下特大斷面導(dǎo)流隧洞的施工難點(diǎn)和存在的問題，系統(tǒng)分類總結(jié)了導(dǎo)流隧洞在不同復(fù)雜地質(zhì)條件下的開挖和支護(hù)方法，為復(fù)雜地質(zhì)條件的特大斷面導(dǎo)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(zhì)段大斷面導(dǎo)流隧洞圍巖穩(wěn)定與施工技術(shù)研究，分析了大斷面地下洞室中的超前支護(hù)措施、噴錨支護(hù)機(jī)理與效果、拱架及鋼筋網(wǎng)支護(hù)機(jī)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(hào)導(dǎo)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?jǐn)?shù)值計(jì)算，分析了淺層支護(hù)、表層支護(hù)、中層支護(hù)和深層支護(hù)等各單項(xiàng)支護(hù)手段與組合支護(hù)措施的支護(hù)效果，可為類似工程開挖支護(hù)方案的設(shè)計(jì)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(gè)水電梯級(jí)中的最上游梯級(jí)。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(jī)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(dǎo)流采用河床一次斷流、上下游土石圍堰全年擋水、左右岸導(dǎo)流隧洞泄流的方案[7-8]。導(dǎo)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(hào)、右岸3，4號(hào)導(dǎo)流隧洞為大低洞，過流斷面尺寸為16.5 m×24.0 m，右岸5號(hào)導(dǎo)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(dǎo)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(hào)導(dǎo)流隧洞典型開挖斷面橫剖面(單位：mm)

2 右岸導(dǎo)流隧洞潛在破壞模式分析

2.1 右岸導(dǎo)流隧洞布置

根據(jù)地形地質(zhì)條件，右岸3～5號(hào)導(dǎo)流隧洞進(jìn)洞點(diǎn)順導(dǎo)流隧洞軸線方向依次錯(cuò)開，其中3號(hào)和4號(hào)導(dǎo)流隧洞進(jìn)洞點(diǎn)錯(cuò)開70.0 m，4號(hào)和5號(hào)導(dǎo)流隧洞進(jìn)洞點(diǎn)錯(cuò)開19.5 m，相鄰導(dǎo)流隧洞間的軸線間距為50.0 m。3號(hào)和4號(hào)導(dǎo)流隧洞典型開挖斷面尺寸19.9 m×27.2 m，5號(hào)導(dǎo)流隧洞典型開挖斷面尺寸14.8 m×18.6 m。3～5號(hào)導(dǎo)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(dǎo)流隧洞進(jìn)口

如表1所示，烏東德水電站1～4號(hào)導(dǎo)流隧洞單洞最大開挖面積達(dá)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(nèi)典型大型導(dǎo)流隧洞工程斷面尺寸

2.2 工程地質(zhì)條件

表2 烏東德水電站導(dǎo)流隧洞圍巖分類

2.3 巖體力學(xué)參數(shù)

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

表4 極薄層狀大理巖化白云巖及其層面抗剪強(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)較大，其中左側(cè)拱座易出現(xiàn)垮塌風(fēng)險(xiǎn)，右側(cè)邊墻易出現(xiàn)滑移風(fēng)險(xiǎn)，施工期圍巖潛在破壞模式如圖4所示。

圖4 3～5號(hào)導(dǎo)流隧洞潛在破壞模式

3 右岸導(dǎo)流隧洞開挖支護(hù)方案

3.1 開挖方案

3.2 支護(hù)方案

圖5 3～5號(hào)導(dǎo)流隧洞上游因民組洞段典型開挖斷面

表5 3～4號(hào)導(dǎo)流隧洞上游因民組洞段典型支護(hù)項(xiàng)目

4 施工期應(yīng)力變形分析

采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行計(jì)算。本構(gòu)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(kuò)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(zhǔn)則；系統(tǒng)錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿、超前錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索和對(duì)穿錨索采用FLAC3D中的CABLE單元進(jìn)行模擬，噴混凝土及鋼拱架采用SHELL單元進(jìn)行模擬，錨筋樁采用PILE單元進(jìn)行模擬。

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

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(shù)值計(jì)算模型。選取監(jiān)測資料較多且代表性較好的3號(hào)導(dǎo)流隧洞0+260斷面(對(duì)應(yīng)4號(hào)導(dǎo)流隧洞0+330斷面、5號(hào)導(dǎo)流隧洞0+349.5斷面)作為典型斷面。數(shù)值模型X軸方向?yàn)榇怪彼鞣较?，指向山?nèi)側(cè)為正；Y軸方向?yàn)轫槍?dǎo)流隧洞軸線方向，指向下游為正；Z軸方向?yàn)樨Q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(dǎo)流隧洞頂?shù)纳细矌r體按實(shí)際概化選取，計(jì)算模型如圖6所示。模型共劃分單元21 678個(gè)，節(jié)點(diǎn)29 244個(gè)。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算模擬的開挖施工及各支護(hù)措施支護(hù)程序按照現(xiàn)場實(shí)際施工程序進(jìn)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(hù)措施均采用開挖一層、支護(hù)一層的施工程序。

3號(hào)和4號(hào)導(dǎo)流隧洞的開挖松動(dòng)圈取7～8 m，5號(hào)導(dǎo)流隧洞開挖松動(dòng)圈取4～5 m，如圖7所示。巖體及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)采用地質(zhì)推薦參數(shù)的中間值，松動(dòng)圈內(nèi)參數(shù)根據(jù)聲波檢測成果結(jié)合施工期反演分析成果選取[13-14]。各參數(shù)值如表6所示。

表6 巖體及結(jié)構(gòu)面計(jì)算參數(shù)取值表

4.2 計(jì)算結(jié)果

4.2.1 支護(hù)措施變形抑制效果

對(duì)各支護(hù)措施抑制右岸3～4號(hào)導(dǎo)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(jìn)行分析，如表7所示。各支護(hù)措施變形抑制貢獻(xiàn)率計(jì)算方法為：① 特征點(diǎn)單項(xiàng)支護(hù)變形抑制值=特征點(diǎn)毛洞開挖變形量-特征點(diǎn)單項(xiàng)支護(hù)條件下變形量；② 特征點(diǎn)組合支護(hù)方案下變形抑制值=特征點(diǎn)毛洞開挖變形量-特征點(diǎn)組合支護(hù)方案下變形量；③ 特征點(diǎn)單項(xiàng)支護(hù)變形抑制貢獻(xiàn)率=特征點(diǎn)單項(xiàng)支護(hù)變形抑制值/特征點(diǎn)組合支護(hù)方案下變形抑制值量。根據(jù)表7計(jì)算結(jié)果分析如下。

表7 各支護(hù)措施對(duì)3～4號(hào)導(dǎo)流隧洞變形抑制貢獻(xiàn)率

圖7 開挖松動(dòng)圈分布

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

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

(3) 對(duì)3號(hào)和4號(hào)導(dǎo)流隧洞中隔墻變形的抑制效果。深層支護(hù)的支護(hù)效果最好，可抑制中隔墻變形的43.4%；表層支護(hù)可抑制中隔墻變形的22.4%；淺層支護(hù)和中層支護(hù)可分別抑制中隔墻變形的18.6%和13.1%。

4.2.2 支護(hù)措施對(duì)中隔墻塑性區(qū)抑制效果

各單項(xiàng)支護(hù)和組合支護(hù)措施條件下，3～4號(hào)導(dǎo)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(xiàng)支護(hù)措施下導(dǎo)流隧洞中隔墻塑性區(qū)變化

圖9 組合支護(hù)措施下導(dǎo)流隧洞中隔墻塑性區(qū)變化

(1) 僅采用單一支護(hù)手段的條件下，3～4號(hào)導(dǎo)流隧洞開挖至第4或第5層時(shí)中隔墻塑性區(qū)貫通，存在中隔墻失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 表層+淺層支護(hù)手段或表層+淺層+中層支護(hù)手段均不能抑制3～4號(hào)導(dǎo)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(hù)的綜合支護(hù)手段。

4.2.3 導(dǎo)流隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

為了分析組合支護(hù)措施下，3～4號(hào)導(dǎo)流隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)受力隨隧洞開挖過程中的變化情況，在3號(hào)導(dǎo)流隧洞以及3號(hào)與4號(hào)導(dǎo)流隧洞中隔墻之間，分別選擇不同的代表性錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿和錨索進(jìn)行受力情況分析。支護(hù)措施監(jiān)測點(diǎn)布置如圖10所示。Y1～Y6為代表性預(yù)應(yīng)力錨桿監(jiān)測點(diǎn)，G1～G6為代表性系統(tǒng)錨桿監(jiān)測點(diǎn)；S1～S6為代表性對(duì)穿錨索監(jiān)測點(diǎn)，其中S1，S2和S3為1000 kN對(duì)穿錨索監(jiān)測點(diǎn)，S4，S5和S6為1500 kN對(duì)穿錨索監(jiān)測點(diǎn)。組合支護(hù)措施下各支護(hù)結(jié)構(gòu)受力隨開挖過程的變化曲線如圖11所示。根據(jù)圖10～11分析如下。

圖10 導(dǎo)流隧洞支護(hù)措施監(jiān)測點(diǎn)布置

圖11 組合支護(hù)措施下導(dǎo)流隧洞支護(hù)措施受力隨開挖過程變化曲線

(1) 系統(tǒng)錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿應(yīng)力隨隧洞開挖逐漸增大；隧洞全部開挖完成時(shí)，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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力錨索受力隨隧洞開挖逐漸增大；隧洞全部開挖完成時(shí)，中隔墻部位預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力錨索受力總體較大，但基本處于安全范圍。

4.2.4 設(shè)計(jì)方案支護(hù)效果

烏東德水電站右岸3～4號(hào)導(dǎo)流隧洞上游因民組洞段最終采用表層+淺層+中層+深層支護(hù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)支護(hù)方案。毛洞開挖條件下與設(shè)計(jì)支護(hù)方案條件下，導(dǎo)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(jié)果表明：

(1) 在設(shè)計(jì)支護(hù)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(shè)計(jì)支護(hù)方案有效抑制了導(dǎo)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(shè)計(jì)支護(hù)方案下導(dǎo)流隧洞開挖變形分布

圖13 毛洞開挖和設(shè)計(jì)支護(hù)方案下導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)大，而設(shè)計(jì)支護(hù)方案的該洞段中隔墻塑性區(qū)未貫通，即設(shè)計(jì)支護(hù)方案保障了中隔墻安全。

5 結(jié) 論

本文以烏東德水電站右岸3～5號(hào)導(dǎo)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?jǐn)?shù)值計(jì)算，評(píng)價(jià)了各單項(xiàng)支護(hù)手段和組合支護(hù)措施的支護(hù)效果，所得結(jié)論如下。

(1)淺層支護(hù)和深層支護(hù)對(duì)洞周圍巖最大變形的抑制效果較好；表層支護(hù)和淺層支護(hù)對(duì)頂拱部位變形的抑制效果較好；深層支護(hù)和表層支護(hù)對(duì)3號(hào)和4號(hào)導(dǎo)流隧洞中隔墻變形的抑制效果較好。

(2) 單一支護(hù)手段條件下，3～4號(hào)導(dǎo)流隧洞中隔墻在隧洞開挖至第4或第5層時(shí)塑性區(qū)貫通，存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 采用表層+淺層支護(hù)或表層+淺層+中層支護(hù)手段均不能抑制3～4號(hào)導(dǎo)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(hù)的綜合支護(hù)手段保障中隔墻安全。

(4) 設(shè)計(jì)支護(hù)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(dǎo)流隧洞開挖期變形，且未出現(xiàn)中隔墻塑性區(qū)貫通現(xiàn)象。因此，設(shè)計(jì)支護(hù)方案可有效保障中隔墻安全。