乌东德水电站复杂地质条件下大型导流隧洞群开挖支护设计

漆祖芳，孔 建，饶志文，王 洁，郭鸿俊

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

0 引 言

导流隧洞是水利水电工程施工期临时性水工隧洞。为避免单条导流隧洞断面尺寸大、线路长、布置受限，且穿越不良地质条件概率大的问题，大江大河上水利水电工程一般布置多条导流隧洞。因此施工期导流隧洞群围岩稳定控制十分重要。袁延国等[1]对糯扎渡水电站左岸1号、2号导流隧洞穿越F3断层的开挖支护方案进行了总结分析，提出采用上下分层开挖、预留核心土开挖法，并用小导管超前支护，及时喷混凝土封闭开挖面并采用钢支撑紧急跟进，保证了围岩的稳定性和施工安全；余传永[2]通过对小湾水电站左岸1号、2号导流隧洞进口渐变段不良地质洞段开挖支护方案进行总结分析，提出施工期采用3层开挖，水泥卷式预应力锚杆、中空自进式锚杆、工字钢支撑、喷钢纤维混凝土支护等综合开挖支护手段，保障了洞室开挖稳定性；刘强等[3]依托西南某水电站3号导流隧洞穿越F13断层洞段，采用3DEC软件对深埋断层节理洞段开挖和支护进行数值模拟和研究分析，为围岩开挖支护方案拟定提供了支撑；边波等[4]依托杨房沟水电站导流隧洞变质粉砂岩洞段，通过分小层开挖，增设锚筋束框架梁与钢拱架、锚筋桩联合支护，保证了围岩的稳定性；卢平等[5]分析了复杂特殊地质条件下特大断面导流隧洞的施工难点和存在的问题，系统分类总结了导流隧洞在不同复杂地质条件下的开挖和支护方法，为复杂地质条件的特大断面导流隧洞施工提供了借鉴和参考；俞祥荣[6]开展了大型水电站不良地质段大断面导流隧洞围岩稳定与施工技术研究，分析了大断面地下洞室中的超前支护措施、喷锚支护机理与效果、拱架及钢筋网支护机理，为类似工程提供了参考。

本文以金沙江下游河段乌东德水电站右岸3～5号导流隧洞上游洞段因民组薄—极薄层大理岩化白云岩为例，通过有限差分数值计算，分析了浅层支护、表层支护、中层支护和深层支护等各单项支护手段与组合支护措施的支护效果，可为类似工程开挖支护方案的设计提供参考。

1 工程概况

乌东德水电站是金沙江下游河段(攀枝花市至宜宾市)乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4个水电梯级中的最上游梯级。乌东德水电站大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高270 m。电站装机容量10 200 MW，多年平均发电量389.1亿kW·h。

乌东德水电站施工导流采用河床一次断流、上下游土石围堰全年挡水、左右岸导流隧洞泄流的方案[7-8]。导流隧洞采用“左2右3、4大1小、4低1高”的布置格局[9]，其中左岸1，2号、右岸3，4号导流隧洞为大低洞，过流断面尺寸为16.5 m×24.0 m，右岸5号导流隧洞为小高洞，过流断面尺寸为12.0 m×16.0 m。乌东德水电站枢纽总体布置如图1所示，高低导流隧洞过流断面尺寸如图2所示。

图1 乌东德水电站枢纽总体布置

图2 3～5号导流隧洞典型开挖断面横剖面(单位：mm)

2 右岸导流隧洞潜在破坏模式分析

2.1 右岸导流隧洞布置

根据地形地质条件，右岸3～5号导流隧洞进洞点顺导流隧洞轴线方向依次错开，其中3号和4号导流隧洞进洞点错开70.0 m，4号和5号导流隧洞进洞点错开19.5 m，相邻导流隧洞间的轴线间距为50.0 m。3号和4号导流隧洞典型开挖断面尺寸19.9 m×27.2 m，5号导流隧洞典型开挖断面尺寸14.8 m×18.6 m。3～5号导流隧洞典型开挖断面横剖面如图2～3所示。

图3 乌东德水电站右岸导流隧洞进口

如表1所示，乌东德水电站1～4号导流隧洞单洞最大开挖面积达到506.89 m2，断面尺寸大，施工期围岩稳定控制难度大。

表1 国内典型大型导流隧洞工程断面尺寸

2.2 工程地质条件

表2 乌东德水电站导流隧洞围岩分类

2.3 岩体力学参数

乌东德坝址区主要岩体(石)物理力学参数建议值见表3，极薄层状大理岩化白云岩及其层面抗剪强度建议值见表4。

表3 薄—极薄层状大理岩化白云岩岩体(石)物理力学参数建议值

表4 极薄层状大理岩化白云岩及其层面抗剪强度建议值

2.4 破坏模式

该洞段开挖期间，洞室围岩稳定风险较大，其中左侧拱座易出现垮塌风险，右侧边墙易出现滑移风险，施工期围岩潜在破坏模式如图4所示。

图4 3～5号导流隧洞潜在破坏模式

3 右岸导流隧洞开挖支护方案

3.1 开挖方案

3.2 支护方案

图5 3～5号导流隧洞上游因民组洞段典型开挖断面

表5 3～4号导流隧洞上游因民组洞段典型支护项目

4 施工期应力变形分析

采用有限差分软件FLAC3D进行计算。本构模型采用FLAC3D中自带的遍布节理模型(ubiquitous-joint model)。该模型是摩尔-库仑模型(Mohr-Coulomb model)的扩展，即在摩尔-库仑体中增加节理面，此节理面也服从摩尔-库仑屈服准则；系统锚杆、预应力锚杆、超前锚杆、预应力锚索和对穿锚索采用FLAC3D中的CABLE单元进行模拟，喷混凝土及钢拱架采用SHELL单元进行模拟，锚筋桩采用PILE单元进行模拟。

4.1 计算模型及参数

通过选取典型断面并沿洞轴线拉伸一定长度的方式建立数值计算模型。选取监测资料较多且代表性较好的3号导流隧洞0+260断面(对应4号导流隧洞0+330断面、5号导流隧洞0+349.5断面)作为典型断面。数值模型X轴方向为垂直水流方向，指向山内侧为正；Y轴方向为顺导流隧洞轴线方向，指向下游为正；Z轴方向为竖直方向，竖直向上为正。X轴方向长度为397.35 m，Y轴方向长度为18 m(3层单元)，Z轴方向长度为407.2 m，导流隧洞顶的上覆岩体按实际概化选取，计算模型如图6所示。模型共划分单元21 678个，节点29 244个。

图6 数值计算模型

数值计算模拟的开挖施工及各支护措施支护程序按照现场实际施工程序进行，开挖分层及各层高度如图5所示；除锚索和锚筋桩采用滞后开挖两层的方式施工之外，其他支护措施均采用开挖一层、支护一层的施工程序。

3号和4号导流隧洞的开挖松动圈取7～8 m，5号导流隧洞开挖松动圈取4～5 m，如图7所示。岩体及结构面力学参数采用地质推荐参数的中间值，松动圈内参数根据声波检测成果结合施工期反演分析成果选取[13-14]。各参数值如表6所示。

表6 岩体及结构面计算参数取值表

4.2 计算结果

4.2.1 支护措施变形抑制效果

对各支护措施抑制右岸3～4号导流隧洞因民组洞段最大变形、顶拱变形及中隔墙变形的效果进行分析，如表7所示。各支护措施变形抑制贡献率计算方法为：① 特征点单项支护变形抑制值=特征点毛洞开挖变形量-特征点单项支护条件下变形量；② 特征点组合支护方案下变形抑制值=特征点毛洞开挖变形量-特征点组合支护方案下变形量；③ 特征点单项支护变形抑制贡献率=特征点单项支护变形抑制值/特征点组合支护方案下变形抑制值量。根据表7计算结果分析如下。

表7 各支护措施对3～4号导流隧洞变形抑制贡献率

图7 开挖松动圈分布

(1) 对洞周围岩最大变形的抑制效果。浅层支护的效果最好，可抑制最大变形的36.4%；其次是深层支护，可抑制最大变形的28.6%；表层支护和中层支护分别可抑制最大变形的21.5%和10.3%。

(2) 对顶拱部位变形的抑制效果。表层支护的效果最好，可抑制顶拱变形的53.7%；浅层、深层和中层支护可一定程度抑制顶拱变形，但最大抑制率仅27.3%。

(3) 对3号和4号导流隧洞中隔墙变形的抑制效果。深层支护的支护效果最好，可抑制中隔墙变形的43.4%；表层支护可抑制中隔墙变形的22.4%；浅层支护和中层支护可分别抑制中隔墙变形的18.6%和13.1%。

4.2.2 支护措施对中隔墙塑性区抑制效果

各单项支护和组合支护措施条件下，3～4号导流隧洞中隔墙塑性区分布变化情况如图8～9所示。

图8 单项支护措施下导流隧洞中隔墙塑性区变化

图9 组合支护措施下导流隧洞中隔墙塑性区变化

(1) 仅采用单一支护手段的条件下，3～4号导流隧洞开挖至第4或第5层时中隔墙塑性区贯通，存在中隔墙失稳的风险。

(2) 表层+浅层支护手段或表层+浅层+中层支护手段均不能抑制3～4号导流隧洞中隔墙塑性区贯通，为保障中隔墙安全，需采用表层+浅层+中层+深层支护的综合支护手段。

4.2.3 导流隧洞支护结构受力分析

为了分析组合支护措施下，3～4号导流隧洞支护结构受力随隧洞开挖过程中的变化情况，在3号导流隧洞以及3号与4号导流隧洞中隔墙之间，分别选择不同的代表性锚杆、预应力锚杆和锚索进行受力情况分析。支护措施监测点布置如图10所示。Y1～Y6为代表性预应力锚杆监测点，G1～G6为代表性系统锚杆监测点；S1～S6为代表性对穿锚索监测点，其中S1，S2和S3为1000 kN对穿锚索监测点，S4，S5和S6为1500 kN对穿锚索监测点。组合支护措施下各支护结构受力随开挖过程的变化曲线如图11所示。根据图10～11分析如下。

图10 导流隧洞支护措施监测点布置

图11 组合支护措施下导流隧洞支护措施受力随开挖过程变化曲线

(1) 系统锚杆和预应力锚杆应力随隧洞开挖逐渐增大；隧洞全部开挖完成时，中隔墙部位G4和G6锚杆的受力分别为427 MPa和222 MPa，中隔墙部位Y4，Y5和G6预应力锚杆的受力分别为346，540 MPa和494 MPa；锚杆受力总体较大，但基本处于安全范围。

(2) 预应力锚索受力随隧洞开挖逐渐增大；隧洞全部开挖完成时，中隔墙部位预应力锚索S1，S2和S3的受力分别为1 314，1 624 kN和1 352 kN，S4、S5和S6受力分别为1 793，1 959 kN和18 01 kN；预应力锚索受力总体较大，但基本处于安全范围。

4.2.4 设计方案支护效果

乌东德水电站右岸3～4号导流隧洞上游因民组洞段最终采用表层+浅层+中层+深层支护相结合的设计支护方案。毛洞开挖条件下与设计支护方案条件下，导流隧洞开挖完成后的变形分布与塑性区分布如图12～13所示。结果表明：

(1) 在设计支护方案条件下，该洞段最大变形由毛洞开挖的243 mm降低至108 mm，即设计支护方案有效抑制了导流隧洞开挖期的变形，避免了围岩过度变形破坏。

图12 毛洞开挖和设计支护方案下导流隧洞开挖变形分布

图13 毛洞开挖和设计支护方案下导流隧洞塑性区分布

(2) 在毛洞开挖条件下，该洞段中隔墙塑性区贯通，中隔墙失稳风险大，而设计支护方案的该洞段中隔墙塑性区未贯通，即设计支护方案保障了中隔墙安全。

5 结 论

本文以乌东德水电站右岸3～5号导流隧洞上游因民组薄—极薄层大理岩化白云岩洞段为例，通过有限差分数值计算，评价了各单项支护手段和组合支护措施的支护效果，所得结论如下。

(1)浅层支护和深层支护对洞周围岩最大变形的抑制效果较好；表层支护和浅层支护对顶拱部位变形的抑制效果较好；深层支护和表层支护对3号和4号导流隧洞中隔墙变形的抑制效果较好。

(2) 单一支护手段条件下，3～4号导流隧洞中隔墙在隧洞开挖至第4或第5层时塑性区贯通，存在失稳风险。

(3) 采用表层+浅层支护或表层+浅层+中层支护手段均不能抑制3～4号导流隧洞中隔墙的塑性区贯通，需采用表层+浅层+中层+深层支护的综合支护手段保障中隔墙安全。

(4) 设计支护方案可使洞段最大变形由毛洞开挖的243 mm降低至108 mm，有效抑制导流隧洞开挖期变形，且未出现中隔墙塑性区贯通现象。因此，设计支护方案可有效保障中隔墙安全。