水电站施工中地下洞室围岩稳定性分析

严凯

摘 要：在水电站工程施工过程中，地下洞室过程中，为了保证施工质量，应当展开水电站地下洞室围岩稳定性的分析。文章以实际工程为例，对水电站施工中地下洞室围岩稳定性进行了分析，以期优化施工效果。

关键词：水电站施工；地下洞室；围岩稳定性

1 前言

随着水电开发技术的日益成熟，大型水电枢纽工程的开发与建设受地区地形条件限制，多采用地下厂房式布置，进而形成了规模巨大的地下厂房洞室群，其洞室高边墙及洞室之间围岩的稳定性成为工程建设中成败的关键因素。

2 地下洞室围岩稳定性分析概述

地下洞室的稳定性课题属于一项非线性力学问题，较为复杂，一般而言具有非均匀性、非连续性变形以及大位移等特征。围岩稳定性的主要影响因素主要包括两个方面：天然地质条件以及工程因素。天然地质条件方面涉及到初始地应力场、地质构造、地下水情况、围岩结构等；工程因素涵盖了洞室实际情况、洞室开挖施工、支护形式等。

近年来，岩石力学理论以及测试技术不断发展，电子计算机技术以及有限元方法得到了推广和应用，再加上科研工作者坚持不懈的努力，涌现出了许多新的研究方法，在岩体构造以及力学特征、地下围岩不稳定机理以及支护受力机制方面的研究，新设计理论以及方法等方面的研讨都取得了可喜的成果，为地下围岩的稳定性分析与评价提供了支持和途径。然而作为地下工程的根源问题之一的围岩失稳分析，现阶段尚没有构成统一理论，针对地下围岩稳定性进行分析，主要是通过分析与考虑具体的地质条件和工程的情况要求，结合多种方法进行综合评价，因此有必要总结目前的地下洞室稳定性分析，以助力工程实践中可以进行科学判断。

3 地下洞室围岩稳定性分析思路

洞室围岩稳定性分析是多学科理论方法、专家经验、监测量与计算机技术综合集成的科学。洞室失稳是一个极其复杂的力学过程，在实际工程中更是受到了许多因素的影响。通常伴随着非均匀性、非连续性变形和大位移，是一个高度非线性的问题。

洞室围岩的稳定性与洞室开挖过程中应力的分布情况和围岩的强度有着直接的关系，而且应力的分布情况与洞室初始应力的基本特征、洞室断面的形状有着密切的关系。初始应力的大小和方向直接决定着洞室岩体的变形程度和稳定性。通过试验得出结论，在应力较小的范围内，围岩的变形情况、稳定性具有塌滑的特征，也就是洞室顶部掉块现象比较频繁；在应力较大的范围内，主要表现为塑形变形现象或者岩爆现象。在高应力地区完整的岩体中，由于岩体受到地壳运动的影响，聚合着较大的弹性应变力，形成高强度的初始应力。一旦开始开挖工作，无法确定出边界点，并且在高应力的影响下，岩块会受到破坏，从而出现“岩爆”现象。

4 水电站施工中地下洞室围岩稳定性分析

某水电站是下游河段梯级开发的最上游一级电站。江河洪水流量较大，泄洪建筑物规模较大，而发电水头相对较小，引用流量大，厂房的规模较大（最大跨度27.4m）。坝址河谷较狭窄，左岸地质条件较差，经综合比较选择右岸地下厂房方案。地下厂房区三大洞室围岩为白垩系下统景星组下段变质砂岩、砂质板岩夹灰白色石英砂岩。

4.1 洞室群稳定性勘察研究

前期针对电站可能布置的地下洞室区展开详细的地质调查，宏观的分析地质环境，初步认识岩性、构造以及地应力、岩体的物理力学特点，结合枢纽建设要求，初步确定地下厂房位置实施勘探。主要通过勘探平洞、钻孔、地应力测试等手段进行勘探试验。勘探平洞布置过程中，在厂房的拱座高程位置沿初期制定的主厂房的轴线实施，再打支洞到尾水调压室，沿初定的尾水调压室轴线进行平洞揭示。平洞的深度要可以控制与稳定两个端墙，由此勘探平洞就可以控制三大洞室顶部的地质状况。接着在洞内确定合适的位置实施钻孔，钻孔的深度要深入到洞室的底板，这一可以更加全面的了解待开挖洞室的地质条件，例如岩体的类别、构造发育以及地下水情况等。通过平洞及钻孔，能够较为详细的掌握厂区的地质情况。继而充分的利用勘探平洞采集地质资料，包括岩性、地应力的表现等，实施岩体类型的划分，在此基础上实施地应力测试以及岩体物理力学性质的试验。

4.2 初始应力场特征

地下厂房区初始应力场是一个以自重为主体，受构造影响的中低地应力场；主应力的值基本上是从上到下逐渐加大，第三主应力的方向与厂房纵轴线有较大的交角，第一、二主应力的方向与厂房纵轴线交角较小。最大主应力：σ1=10-13MPa，方位：N28°-30°E，中间主应力：σ2=5-8MPa，方位：N56°E-S82°E，最小主应力：σ3=4-6MPa，方位：S3°-44E。其中最大主应力方向与厂轴交角<25°，有利于地下厂房洞室的稳定。

4.3 开挖后应力分布特征

通过反演计算分析，除了洞室交叉部位和洞室拱座处有应力集中现象外，整个洞室群开挖后围岩应力分布规律正常，应力状态良好。地下厂房三大洞室围岩应力分布规律为：开挖过程中洞周的切向应力不断增加，径向应力变化幅度不大，主变洞的尺寸较小，洞室的高度不大，应力分布相对比较均匀，尾调室由于其开挖跨度大，洞室高，故应力值相对较大。

4.4 围岩松弛特征

对地下洞室围岩松弛带厚度确定主要依据测试孔单孔声波法纵波速度曲线中较明显的拐点判断，经测试，三大洞室围岩体松驰圈厚度变化较大，最浅<1m，最深达4.0m，平均1.7m；松驰圈岩体波速在2150m/s～3810m/s之间变化，平均波速为3440m/s；松驰带以内较完整岩体平均波速为4910m/s。

4.5 围岩变形总体特征

本区岩体属陡倾层状结构，其物理力学特性具有明显的各向异性性，围岩的变形特征与岩层的产状密切相关。在岩层倾向的不同方向，岩体的破坏特性也各不相同，其破坏形式主要表现为拉裂破坏顺层滑移和弯折倾倒变形。研究表明，洞室高边墙的位移随层面倾角先增大后减小，反倾向一侧的位移在倾角为60°达到最大，顺倾向侧洞周位移要小于反倾向侧的位移。

监测结果表明，三大洞室围岩变位主要发生在洞室开挖阶段，各点变位过程呈台阶状，与洞室分层分段开挖的過程相对应。围岩基本属于浅表部卸荷变形，变形主要发生在围岩内0-7m范围内。受地质结构面的影响，个别部位在围岩内部7-15m之间有一定变位。顶拱下沉与底板回弹量均较小，顶拱变位一般在2-10mm；边墙变位较大，特别是边墙中部变位一般较大，且上游边墙（反倾向一侧）围岩变形较下游侧（顺倾向一侧）大，其中主厂房上游边墙围岩变形和锚固应力均较大。围岩变形普遍在30mm左右，部分点位达到80mm以上，洞室开挖完成后进入应力调整阶段，围岩变位仍有缓慢发展。

5 结束语

综上所述，近些年，关于岩石的破坏、失稳、突变的相关研究，为围岩的稳定性分析提供了有力的理论方法。伴随着计算科学和有关学科的不断进步，其分析和研究结果将更拥有现实意义。要想实现洞室围岩稳定性较为全面、深入的研究，就需要结合实际情况，通过利用系统化的理论和方法来进行.并且在开展地下洞室稳定性识别判定过程中，务必参考稳定性判据的实践经验和可靠数据，与此同时考虑工程中各量测值的变化情况，从而提高稳定性分析的科学性。

参考文献：

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[2] 胡华，王蕾.引水发电系统地下洞室群围岩稳定性研究——以功果桥水电站为例[J].黑龙江水利科技，2018（1）：137～140.