小型水工隧洞设计中的几个工程地质问题

余国庆 卢增梅

（淳安县水利水电局，浙江淳安311700）

小型水工隧洞设计中的几个工程地质问题

余国庆 卢增梅

（淳安县水利水电局，浙江淳安311700）

水工隧洞是水利水电枢纽中较复杂的建筑物之一，涉及的地质问题较多。对小型水工隧洞的主要工程地质问题进行了分析，讨论了水工隧洞洞线布置中考虑的地质因素，提出了小型水工隧洞设计中确定围岩压力与抗力系数的经验方法，对小型水工隧洞的勘察设计工作具有一定的指导作用。表1个。

水工隧洞；洞室走向；最小覆盖厚度；坚固系数；弹性抗力系数

1 概 述

水工隧洞可以作为发电及灌溉的引水建筑，也可以作为排除洪水的泄水导流建筑，在水利水电工程中具有广泛的应用。水工隧洞分为有压与无压式两种，前者多具圆形的断面，后者常采用马蹄形或城门洞形。

浙江省淳安县已建成的水工隧洞洞径一般都在5m以下，只有少数泄洪洞达5m以上。由于前期地质工作没有引起足够重视，曾有部分工程出现了一些工程安全问题。因此，在设计工作中，必须注意水工隧洞的地质问题，合理选定隧洞轴线和围岩的地质设计参数。

2 水工隧洞的主要地质问题

2.1 坍塌

小型水利水电工程往往由于建设资金原因，地质勘探工作不到位，缺乏隧洞所在场区的详细工程地质和水文地质资料，致使设计人员进行隧洞设计时，将隧洞轴线选在了不良的地质地段，没有避开断裂、节理裂隙、溶洞发育带等不良地质构造，如不及时采取有效的工程措施，可能会发生坍塌。如淳安县河村水库泄洪、发电二合一隧洞，围岩为泥质灰岩，洞线与断层走向小角度相交，施工期间隧洞沿线就出现大范围塌方。

2.2 涌水

涌水是隧洞施工中常见的地质问题。隧洞掘进过程中，破坏了赋水结构的边界，改变了地下水的水动力条件，致使隧洞作为排泄通道沟通了与含水层的联系，可引起软弱体出现渗透变形，产生隧洞塌方冒顶；也可引起浅层地下水疏干枯竭、农田漏水、井泉干枯等环境地质问题。如淳安县枫树岭水电站引水隧洞施工中，就曾出现洞顶冲沟断流、山泉枯竭现象。

2.3 岩爆

岩爆是指在地下洞室开挖后，周边围岩产生脆性破坏而突然释放的弹性能使岩石高速弹射并伴有响声，从而击坏设备或伤及施工人员。高地应力是岩爆产生的外因，脆硬、新鲜完整的岩体是岩爆产生的内因。如淳安衍昌水电站引水发电隧洞，围岩为粗粒斑状花岗岩，岩体新鲜完整，洞室埋深达180m，洞体形成后发现岩石破裂声并伴有厚4～10cm片石剥落，持续时间近20d。

3 洞线布置中考虑的地质因素

水工隧洞洞线应在满足枢纽总体布置的条件下，选择在沿线地质构造简单、岩体稳定完整、上覆厚度适中、水文地质条件有利、施工方便的地段。隧洞通过不良地质构造时，会使隧洞岩体失稳的机率增大。

3.1 洞室走向

洞室的走向应根据隧洞通过区的岩层和主要地质构造特征，发挥围岩的自稳条件以获得最大的承载能力，使洞线与岩层面、构造面、主要软弱带有较大的夹角。对整体块状结构岩体及厚层胶结紧密、坚硬岩体，交角不宜小于30°；对薄层岩体，特别是层间结合疏松的薄层状岩体，交角不宜小于45°，这在隧洞选型中已形成了共识。

隧洞经过层次凌乱、构造复杂的地层，或有侵入岩脉穿插于岩体时，裂隙水常沿此挤压破碎带渗入，加速风化作用，引起洞顶坍方、掉块及超挖等问题。如淳安县云港一级水电站，开挖洞径3.6m，当隧洞进入奥陶系钙质泥岩与侏罗系晶屑凝灰岩接触带后，隧洞边挖边坍，采用超前锚杆处理后方可继续掘进。

3.2 最小覆盖层厚度

水工隧洞最小覆盖厚度要根据地形地质、内外水压力、成洞条件和围岩渗透性等综合考虑。由于覆盖厚度不足出现事故或大量渗水的工程实例较多，是水工隧洞设计人员最为关注的问题之一。如淳安县郑中水电站引水发电洞，岩性为中厚层泥质灰岩，洞径2.0m，发电水头85m，由于下平洞围岩厚度不足30m，在充水试验中，发生了围岩抬动、地表冒水、钢筋混凝土衬砌开裂破坏的事故。

对无压隧洞围岩的最小厚度在相关设计规范中没有具体的规定，但从围岩二次应力分布特征和形成坍落拱条件可知，隧洞顶板的新鲜岩层应有足够的厚度，尽可能避免隧洞穿过顶板厚度小于3倍洞径的地层。如淳安县下坂水电站引水隧洞，洞径2.0m×2.5m，该洞傍山布置，局部围岩厚度小，施工中就出现多处塌方，大大增加了衬砌工程投资。

有压隧洞的最小覆盖厚度应能保证围岩不产生渗漏失稳和水力劈裂。对浅埋、特别是傍山隧洞，围岩的构造应力已释放，初始应力场为自重应力。对自重应力场，垂直应力σv为上部岩体自重所产生，而水平应力：

对陡倾地表条件下有压隧洞最小覆盖厚度按下式计算：D＝Kγhs／γRcosα

式中，μ为岩体的泊松比，一般为0.20～0.35；D为洞轴线埋深；γR为岩体的重度；K为安全系数（1.1～1.3）；洞内水头为hs；α为倾斜地表坡角；γ为水的重度。

从上述两式可知：水平方向应力σh约为垂直方向应力σv的1／3上下，沿垂直方向的裂隙易产生水力劈裂，如岩体的重度取25kN／m3、水的重度取10kN／m3，对无衬砌或素混凝土衬砌，最小覆盖厚度按不小于1倍内水压力水头控制；对钢筋混凝土衬砌，按不小于0.4倍内水压力水头控制，能满足围岩上抬与最小主应力准则之要求。

4 围岩压力与抗力系数

围岩对衬砌的影响，可用适当方法求出的主动力（围岩压力）和被动力（弹性抗力）的作用来代替，这两个力的大小将直接影响到设计的衬砌厚度；而围岩压力、岩石弹性抗力的确定，是一个极其复杂的问题。如果条件许可，最好采用原位测定，尽可能消除人为误差。对小型水工隧洞，由于围岩压力与抗力系数的实测工作费用较大，一般不可能实验测定，通常根据岩体抗压强度R、变形模数E，间接计算或按工程类比法取得。

4.1 坚固系数

围岩的坚固系数简称普氏系数，其理论值为f＝τ／σ＝tgα＋c／σ，并据此确定坍落拱高度。f值实际上是一个随应力变化而变化的函数，可作为综合性的围岩压力系数来看。对小型水工隧洞的坚固系数可按经验公式：f＝k*R／100取值。

式中，R为岩石单轴抗压强度；k为修正系数，对微风化完整岩：0.5～0.6；弱风化岩：0.4～0.5；裂隙发育岩：0.3～0.4；有规模较小的断层：0.2～0.3；有规模较大的断层并含地下水：0.1。

4.2 弹性抗力系数

围岩抗力系数是围岩产生单位变形时，单位面积上所需要的压力，它的大小与岩体性质和隧洞尺寸有关。围岩的弹性抗力系数越大，对衬砌的反力也越大，它就有可能分担更多的内水压力。

弹性抗力系数公式为：K0＝E／r（1＋μ）

式中，E为岩体的变形模量（kg／cm2）；r为隧洞半径（cm）；μ为岩体的泊松比。

小型水工隧洞可以用岩石室内弹模试验资料的弹形模量代之，并在上式中乘以系数0.1～0.5修正；对岩体节理裂隙发育、张开度大者则取小值。

4.3 弹性抗力系数、坚固系数的经验取值

从岩体f、K0的物理力学概念分析，其与岩石强度、弹性模量有关，也受岩体裂隙发育程度、张开与充填物影响。福建水电设计院通过260组数据统计和分析，坚固系数、单位弹性抗力系数在量上有很好的相关。根据淳安县小型水工隧洞工程设计实例，岩石坚固系数（f）和抗力系数（K0）经验取值如下所示（见表1）。

表1 水工隧洞围岩地质参数建议值

5 结 论

隧洞工程是水利水电工程建设中较为复杂的建筑物之一，地质因素影响较大。为此，在水工隧洞设计中，必须充分利用现有的地形地质资料，在查清隧洞沿线地质条件的基础上，合理选择进、出口位置和洞轴线布置方案，而在施工中因地质条件变化而调整洞线方案是极不慎重的。小型水工隧洞限于资金技术原因，围岩压力、弹性抗力系数不能实验测定，因此，必须加强施工地质工作，根据洞室围岩特征、自稳条件等，合理选用f、K0等地质设计参数，经工程实践检验一般能满足水工隧洞的施工与运行安全。

［1］ 陆兆溱．工程地质学［M］.北京：中国水利水电出版社，1989.

［2］ 吕有年．水工压力隧洞结构计算与岩石抗力系数问题［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［3］ 祁庆和．水工建筑物［M］.北京：中国水利水电出版社，1987.

［4］ SL279—2002，水工隧洞设计规范［S］.

［5］ 刘启钊．水电站［M］.北京：中国水利水电出版社，1986.

责任编辑 吴 昊

2014－12－31

余国庆（1964－），男，高级工程师，主要从事水利工程建设管理与勘察设计工作。

E_mail：yugq64＠163.com