水布垭水电站尾水洞软岩成洞研究（周述达 陈代华 易路 黄骞）

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1、水布垭水电站尾水洞软岩成洞研究（周述达陈代华易路黄骞）　　摘要:水布垭水电站尾水洞穿越的地层均为软岩岩层，成洞条件差。为了保证尾水洞施工安全以及长期安全运行，对尾水洞软岩成洞的关键技术问题进行了研究。通过多种方法有限元数值分析，选择受力条件好的断面型式和合适的洞轴线间距，并制定了详细的初期支护参数和施工措施，解决了水布垭地下电站尾水洞软岩成洞关键技术问题，在洞间岩柱薄、围岩条件极差的情况下，安全、顺利地建成了大型尾水洞群。 　　关键词:尾水洞;软岩;围岩稳定性;断面型式;支护参数;监测成果;水布垭水利枢纽 中图分类

2、号:TV732.3文献标识码:A 1工程概况 　　水布垭水利枢纽位于清江中游河段巴东县境内，其地下电站主要建筑物包括:引水渠、进水口、引水隧洞、地下厂房、母线洞、尾水洞、尾水平台、尾水渠、500kV变电所、交通洞、通风及管线洞和厂外排水洞等。其中地下厂房位于右岸山体F2和F3断层之间，开挖尺寸为168.50m×23.00m×65.47m，拱顶高程为230.47m;尾水隧洞共4条，开挖直径13.7m，长295～310m，洞轴线间距31m，洞间岩柱厚度为开挖直径的1.26倍。 2地质条件 　　尾水隧洞穿越P11q、P1

3、ma、C2h和D3x地层，均为软岩岩层，且岩层中软弱剪切带发育，围岩类别为Ⅳ～Ⅴ类，其中顶拱位于剪切带和写经寺组等Ⅳ～Ⅴ类岩体之中的洞段长占70%～85%。尾水洞围岩条件极差，且洞间岩柱偏薄，软岩成洞问题突出。 3尾水洞软岩成洞关键技术研究 　　尾水洞洞间岩柱厚度小，且位于Ⅳ～Ⅴ类岩体之中的洞段长占70%～85%。选择合适的断面型式及洞轴线间距、合适的开挖程序和施工工艺、合适的初期支护参数和永久衬砌结构型式，以保证施工安全及尾水隧洞的长期安全运行，是尾水洞的关键技术问题。 3.1尾水洞围岩稳定性分析 　　采用二维、

4、三维弹塑性有限元及三维粘弹塑性有限元对尾水洞围岩稳定性进行了分析。断面型式研究了圆形和城门洞形，而马蹄形断面由于体型复杂，开挖和混凝土衬砌施工工期难以保证，未作深入研究;对于圆形断面，比较了25.5m和31m两种洞轴线间距，对应的洞室开挖直径分别为12.3m和13.7m。 3.1.1二维弹塑性有限元分析结论 　　尾水洞断面采用圆形或城门洞型，喷锚支护后，围岩变形量的最大减小幅度分别为55%、45%，喷锚支护对限制围岩变形效果明显。 　　圆形断面围岩塑性区小于城门洞型，特别是在喷混凝土支护后，圆形断面相邻洞室岩柱塑性

5、区没有连通，而城门洞型相邻洞室岩柱则基本连通，且喷混凝土支护单元屈服数远少于城门洞形。 　　同样洞轴线间距，相同机组运行条件下，圆形断面将更有利于洞室围岩的稳定。因此，从保证尾水洞围岩的稳定性及减小初期支护等方面分析，圆形断面比城门洞形更优。 　　不同的洞轴线及对应洞室开挖直径相比，洞室围岩开挖位移与变形处在同一量级，塑性区范围略有增加，且两方案在喷混凝土后，围岩变形与塑性区范围基本相同，相邻洞室岩柱没有出现塑性区连通。因此，当尾水洞断面加大后，相应增加洞轴线间距是合适的，也是必要的。 　　4条尾水洞同时开挖、相邻

6、2条洞同时开挖及4条洞间隔开挖等3种开挖方式的研究成果表明，采取间隔开挖方式，无论喷锚支护与否，4条洞间隔开挖的变形及塑性区分布均小于其它2种方式，且喷混凝土及围岩中的应力分布更均匀合理，洞室群围岩稳定更有保证。 3.1.2三维弹塑性有限元分析结论 　　计算表明，围岩的变形、塑性区范围及应力大小均小于二维计算结果，仅尾水出口处于强卸荷带中的洞段变形和塑性区范围较大，通过及时的喷锚支护后可以保证洞室围岩的稳定。 3.1.3三维粘弹塑性计算分析结论 　　计算表明尾水洞总体变形趋势是洞周岩体向洞内变形，顶拱岩体下沉，底板

7、先呈向上回弹变形，后随时间流逝开始下沉。围岩流变变形一般小于3mm，最大流变变形约7mm，围岩流变时效性较明显。与弹塑性计算相比，尾水洞段塑性区分布规律和分布范围没有明显变化。 　　综上所述，尾水洞采取喷锚支护加固后，围岩稳定能得到保证，为满足水力过渡过程要求，尾水洞开挖直径加大至13.7m，相应洞轴线间距调整为31m是合适的。 3.2尾水洞断面型式选择 　　尾水洞断面型式有马蹄形、圆形及城门洞形等。根据工程施工经验，马蹄形断面的开挖及混凝土衬砌施工较困难，对施工质量及工程进度不利，因此，确定以圆形断面和城门洞形断

8、面为重点研究对象。 　　衬砌结构受力条件。计算表明，圆形衬砌结构能有效抵御外压，其控制工况为运行工况，城门洞形则运行工况及检修工况同时起控制作用，控制着内、外侧的配筋。在衬砌结构抵抗山岩压力，尤其是围岩流变所产生的附加山岩压力方面，圆形要远优于城门洞形，因此，从结构受力条件分析，圆形断面有利于衬砌结构的长期安全运行。 　　工程量及投资。与圆形断面相比，城门洞