水电站导流洞围岩施工稳定性探讨

黄世生

(福建省宁德市水利水电工程局，福建 宁德 352100)

1 工程概况

蒲洋水电站坝顶高程为257.3 m，正常蓄水位为251.0 m，设计最大坝高为55.3 m，总库容为0.5141×108m3，工程为III型水利枢纽工程。导流洞布置在坝址右岸山体中，为低山地貌。洞口处于拱顶坝轴线上游75.0 m的位置，洞线设计总长度为3018.86 m。设计洞径为4.6 m。导流洞所在地区的地质环境为细粒花岗岩，呈灰白色块状结构，岩体受风化作用和断裂切割影响比较大，结构整体强度和完整性降低。文章以此工程为例，对导流洞围岩施工稳定性进行分析和探讨。

2 通过数值计算分析导流洞围岩稳定性

该水电站导流洞围岩主要由II类-III类、III类、V类3种性质的围岩构成。将开挖洞室过程中对四周岩体产生的影响看成一个平面问题，不考虑空间因素产生的影响。由于需要对天然拱厚度进行考虑，因此将计算范围确定为洞宽的6～10倍。

由于该水电站导流洞主要由3种不同类型的围岩构成，材料参数如表1所示。针对不同类型的围岩，分别从每一类的截面中选择一个进行计算。

表1 材料参数

2.1 II-III类围岩稳定性分析

根据表1建立A-A截面计算模型进行分析，以计算模型左右边界约束水平方向位移作为边界计算模型，将下部边界作为垂直方向位移的约束条件，上部边界面作为自由面。在上部边界面施加0.0835 MPa的均布荷载，泊松比为0.05，弹性模量E=1.5E/MPa，A-A截面未发生变形和变形之后的情况如图1和图2所示。从图1和图2可以发现，开挖作业完成后导流洞变形量不大，围岩稳定性良好。

图1 A-A截面开挖之前应力云图

图2 A-A截面开挖之后应力云图

2.2 III类围岩稳定性分析

在对III类围岩稳定性进行分析时，根据表1建立了B-B计算模型，将计算模型左右边界面作为水平方向位移的约束条件，上部界面作为自由面，垂直方向的位移约束条件为下部边界面。将0.8124 MPa的均布荷载作为上部边界的施加荷载，弹性模量E=1.0 E/MPa，设计泊松比为0.09。B-B截面导流洞开挖前后变形应力云图如图3和图4所示。从图3和图4不难看出，开挖完成后，导流洞并没有出现比较大的变形，围岩稳定性良好。

图3 B-B截面开挖之前应力云图

图4 B-B截面开挖后应力云图

2.3 V类围岩稳定性分析

对V类围岩进行分析时，根据表1建立了C-C计算模型，使用C-C截面计算模型进行分析，水面方向位移以计算模型左右边界为约束条件，垂直方向的位移以下部界面作为约束条件，上部的边界面为自由面。使用0.6475 MPa均布荷载作为上部边界的施加荷载，设计弹性模量E=0.3 E/MPa，设计泊松比为0.29。在开挖前C-C截面的应力云图如图5所示，开挖后应力云图如图6所示。分析图5和图6发现，进行开挖后导流洞截面产生了比较大的变形情况，围岩稳定性差，需要采取相应的支护措施。

图5 C-C截面开挖之前应力云图

图6 C-C截面开挖后应力云图

施工时需重点注意下述几个方面的问题：

(1)在进行开挖掘进施工时，因为围岩的类别有所差异，不同围岩的稳定性也存在一定的差异，因此施工人员在进行施工时，不可以采用一种参数开展施工，需要根据围岩的级别合理地选择施工参数。尤其是在进行V类围岩施工时，为了避免出现塌方的情况，需要及时做好支护工作[1]。

(2)在进行导流洞的出口和进口施工的过程中，因为导流洞不属于深埋洞，因此在进行进出口施工时要做好支护工作，如果情况特别需要，则应进行超前支护。

(3)在施工过程中遇到地下水时，需要先处理地下水，避免地下水大量流出后带走孔隙中的填充物，影响围岩的稳定性。此外，还需要做好防尘措施和通风措施。

2) 在没有使用弹性支撑的图2振型中可以看出来，振型都是局部振动。在使用弹性支撑后，从图3和图4中可以看出前7阶主要是发电机的整体振动，7阶以后才出现发电机结构的局部振动，这种变化主要是选择的弹性支撑刚度引起的。

3 导流洞围岩加固措施

根据上述分析结果，在进行导流洞施工时，需要对V类围岩进行加固处理。经监理人员、设计人员和业主对地质资料进行详细分析后，决定采用预应力锚杆加固技术来进行加固。设计采用锚杆台车进行预应力锚杆造孔，然后使用注浆泵进行注浆作业，使用自制施工台架作为锚杆安装的登高设备，并安排装载机、挖机等设备进行辅助施工。

3.1 施工工艺

(1)在进行施工时，首先根据设计参数进行锚杆孔位放样，并使用红漆进行标识，根据孔位进行编号。锚杆也使用相同的方法来进行编号。

(2)使用TOMROCK锚杆台车进行锚杆钻孔施工，并根据放出方向先严格对钻孔角度进行控制，钻孔直径控制为70 mm。锚杆方向和洞轴线垂直，锚杆深度为3 m，先进行钻孔，然后再打入锚杆，锚杆之间的间隔距离为1.5 m，施钻过程中，钻头要和岩壁上锚杆孔位对准后再进行钻孔，开孔误差要控制在50 mm内，开孔过程中使用小功率钻机进行缓慢钻进，钻进50 cm后要对钻孔方向进行校正，达到设计要求后进行全功率钻进。

(3)使用锚杆台车进行施工，钻孔和洗孔同时进行，清水流出后即完成冲洗，检查各个钻孔的孔位、孔深和钻孔直径，然后将三检记录填写好，向监理工程师进行申报，验收合格以后即可进行下道工序的施工。

(4)使用快速锚固法进行施工，使用速凝锚固剂对内锚段进行锚固处理，使用缓凝锚固剂对外锚固段进行处理。锚固剂注装时，需要安排工作人员根据锚固段长度在注浆管上进行标记。按照0.30～0.35水灰比对锚固剂进行拌制后制成膏状，然后利用灌浆泵将锚固剂打入到孔中，然后将管缓慢拔出[2]。

(5)锚杆使用直径为32 mm的II级螺纹钢筋制作，垫圈、垫板、锚杆都需要按照设计要求在工厂加工成型。加工完成后要对杆体进行检查和验收，达标后才可以在工程中应用。

(7)在缓凝锚固剂初凝前并且锚固剂强度达到20 MPa后即可进行杆体的张拉锁定。在水灰比为0.3时，张拉控制在杆体注装完成6～9 h后。最早张拉时间为速凝锚固剂注装6 h后，最迟张拉时间为速凝锚固剂注桩9 h后。使用扭力扳手逐级张拉到设计张力的115%，然后将杆体锁定[3]。

3.2 施工控制要点

(1)要抽检锚固剂、锚杆螺纹钢等施工材料的相关资料，保证材料质量可以达到要求。在进行张拉前，可以使用专业的强胜威扭力检定仪进行校正，率定达标后才可以进行张拉作业。在进行张拉时，每周都需要率定一次扭力扳手，保证张拉精度可以达到要求。

(2)在进行钻孔施工时，造孔是非常重要的一个控制环节，需要对所有的孔位进行测量放样，并使用红色油漆进行标识。选择责任心强、经验丰富的操作人员进行液压凿岩台车的施工，开钻前要将钻臂方向调整好，保证孔向垂直后才可以进行钻进作业，在钻进过程中要保持匀速钻进，并不断地使用水对岩粉进行冲洗[4-5]。

(3)在进行张拉施工时，内锚段灌浆的密实度是保证张拉成功的关键步骤，因此，要在施工前充分浸泡锚固剂，浸泡时间要保持在2.5 min以上，每次打入一卷锚固剂后要将输送管向孔外拉出5 cm左右，保证锚固剂可以将3 m锚固段填满。

(4)在锚杆张拉时，要严格按照规定要求逐级进行张拉，并严格对整个张拉过程进行监控，做好张拉数据的记录工作。

4 围岩监测

该水电站导流洞不良地质段在使用预应力锚杆进行加固处理后，通过采用锚杆测力计和多点位移计对数据进行检测后证明，各个测点变化比较小，稳定性良好，在施工现场没有发现混凝土开裂、外观变形、脱落继续发展等问题。洞身处理良好的稳定状态下，导流洞0+714、0+756段在进行处理之前多点位移计测值变化速率为0.1～0.6 mm，处理完成后多点位移计测值变化速率<0.01 mm，该洞段处于比较稳定的状态下。处理效果良好，达到了预期要求。

5 结 语

文章以实际工程为例，对导流洞施工过程中围岩稳定性进行了分析和探讨，并根据分析结果采用预应力锚杆加固技术对不稳定围岩进行处理，经过处理后使用检测仪器进行检测，经过检测后证明，导流洞不稳定围岩经过处理后达到了加固要求，保证了工程施工安全，提高了洞室的稳定性，值得类似工程借鉴和参考。