典型工程類比法在石門坎水電站導(dǎo)流洞噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

典型工程類比法在石門坎水電站導(dǎo)流洞噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用1前言石門坎水電站位于李仙江干流崖羊山水電站的下游，工程開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主。樞紐由混凝土拱壩、引水式地面廠房組成，最大壩高108.00m，總庫(kù)容1.95×108m3，總裝機(jī)容量130MW。工程前期導(dǎo)流采用河床一次斷流、圍堰擋水、導(dǎo)流隧洞泄流的方式，導(dǎo)流洞布置于壩址右岸山體內(nèi)。導(dǎo)流工程大多是臨時(shí)工程，但其在整個(gè)工程建設(shè)過(guò)程中發(fā)揮著不可忽視的作用，導(dǎo)流洞的設(shè)計(jì)既要保證導(dǎo)流洞安全，又要使其盡量經(jīng)濟(jì)。根據(jù)本工程的地質(zhì)條件，導(dǎo)流洞采用一次噴錨支護(hù)和鋼筋混凝土襯砌相結(jié)合的襯砌方式。地下工程噴錨支護(hù)的設(shè)計(jì)方法很多，特別是近30年來(lái)，有限元在模擬地下工程噴錨支護(hù)計(jì)算中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它能模擬圍巖彈塑性、粘彈塑性及巖石層狀和節(jié)理裂隙等力學(xué)特征，因而成為分析地下工程的強(qiáng)有力手段。但是，由于巖體本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜、力學(xué)參數(shù)和邊界條件很難準(zhǔn)確確定，因此有限元計(jì)算受人為因素影響也比較大，結(jié)果帶有一定的隨機(jī)性。其它各種模擬方法也都有一定的適用性和局限性。所以，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外大多數(shù)地下工程的噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)仍以工程類比法為主。典型工程類比法是建立在研究大量工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)數(shù)字和觀測(cè)成果基礎(chǔ)上的，結(jié)合具體工程的地質(zhì)條件，在類比、分析、判斷的基礎(chǔ)上進(jìn)行新的工程設(shè)計(jì)。典型工程類比法是一種半經(jīng)驗(yàn)半理論的設(shè)計(jì)方法，它由多種理論方法、專家群體經(jīng)驗(yàn)、真實(shí)的數(shù)據(jù)資料與計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)組成。這方面的軟件有總參工程兵第四設(shè)計(jì)研究院的《典型類比分析法圍巖穩(wěn)定分析軟件包BMP2000》，該程序可以利用容易獲得的一些地質(zhì)參數(shù)、巖石力學(xué)參數(shù)和設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)，快速而直觀地顯示出隧洞的變形和破壞情況，為地下工程噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)的快速?zèng)Q策提供依據(jù)。2導(dǎo)流洞地質(zhì)條件石門坎水電站導(dǎo)流洞采用施工方便、水力條件較好的城門洞型式，斷面尺寸為7.0m×9.0m（寬×高），最大埋深約185m，洞長(zhǎng)544.99m。隧洞沿線穿過(guò)由眾多巖性不同的砂巖組成。其中基本穩(wěn)定的Ⅱ-Ⅲ類圍巖長(zhǎng)約215m，局部穩(wěn)定性差的Ⅲ-Ⅳ類圍巖長(zhǎng)約316m，構(gòu)造帶及其影響帶Ⅴ圍巖長(zhǎng)約15m。圍巖均為微風(fēng)化-新鮮巖體，大部分洞段巖層走向與洞向夾角較大，對(duì)圍巖穩(wěn)定有利。隧洞沿線分別揭露F24和J21斷層，其走向與洞向夾角為76°和74°，兩者規(guī)模不大，不會(huì)對(duì)洞室穩(wěn)定造成大的影響，稍加處理即可。但其附近巖體可能會(huì)破碎，應(yīng)及時(shí)采取加固措施。另外，小規(guī)模順層斷層、擠壓帶或剪切帶可能較發(fā)育，其余洞向多為大角度相交，雖對(duì)圍巖穩(wěn)定影響較小，但應(yīng)引起重視并及時(shí)采取支護(hù)措施。導(dǎo)流洞大部分洞段位于地下水位以下，地下水位較高，巖體結(jié)構(gòu)面間摩擦系數(shù)降低，粉砂巖、泥巖等較軟巖失水易風(fēng)化崩解，地下水作用使圍巖自身穩(wěn)定性有所降低。2.1圍巖分類根據(jù)水利水電工程圍巖分類法、Q系統(tǒng)分類法對(duì)石門坎水電站導(dǎo)流洞洞室圍巖進(jìn)行了分類，見(jiàn)表一，參照《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5195-2004錨噴支護(hù)類型及其參數(shù)表初步確定了支護(hù)措施。表一石門坎水電站導(dǎo)流洞圍巖分類表圍巖類別水電圍巖評(píng)分Q值彈性模量E（MMPa）單位彈性抗力系系數(shù)K0（MPa//cm）建議支護(hù)措施Ⅱ65～8510～4010～2067～115不支護(hù)或局部錨錨桿或噴薄薄層混凝土土。大跨度度時(shí)，噴混混凝土、系系統(tǒng)錨桿加加鋼筋網(wǎng)。Ⅲ45～651～1010～1556～80噴混凝土、系統(tǒng)統(tǒng)錨桿加鋼鋼筋網(wǎng)?？缈缍葹?0～25時(shí)，并澆澆筑混凝土土襯砌。6～1022～27Ⅳ25～450.1～11～48～18噴混凝土、系統(tǒng)統(tǒng)錨桿加鋼鋼筋網(wǎng)。并并澆筑混凝凝土襯砌。對(duì)對(duì)于大跨度度洞室Ⅴ類圍巖可可用鋼拱架架管棚支護(hù)護(hù)。Ⅴ<25<0.10.2～0...4<5002.2典型工程類比法的應(yīng)用石門坎水電站導(dǎo)流洞噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)按照新奧法原理，采用“設(shè)計(jì)—施工—監(jiān)測(cè)—修正設(shè)計(jì)的施工參數(shù)”的方法，在施工中加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。主要運(yùn)用工程類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用總參工程兵第四設(shè)計(jì)研究院的圍巖穩(wěn)定分析軟件包BMP2000進(jìn)行穩(wěn)定分析。圍巖穩(wěn)定分析軟件包BMP2000是依據(jù)典型工程類比法編制出來(lái)的工程應(yīng)用程序，程序內(nèi)部包含有具有代表性的“典型工程”的地質(zhì)條件、比較系統(tǒng)完整的原位測(cè)試資料和成功的工程經(jīng)驗(yàn)，可根據(jù)用戶輸入的工程地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行類比分析，對(duì)圍巖穩(wěn)定作出預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。BMP2000程序中規(guī)定沿隧洞洞軸線方向?yàn)閅軸，隧洞橫剖面水平向右為X軸，鉛直向下為Z軸，而地質(zhì)上一般提供的是地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力σ1、σ2和σ3，所以需要將地質(zhì)提供的地應(yīng)力轉(zhuǎn)化為程序規(guī)定的計(jì)算坐標(biāo)系中的應(yīng)力分量。轉(zhuǎn)化公式如下：式中，，()分別為三個(gè)主應(yīng)力對(duì)，，坐標(biāo)軸的方向余弦值。其中，()分別為三個(gè)主應(yīng)力與隧洞洞軸線的夾角和傾角。表二實(shí)測(cè)地應(yīng)力轉(zhuǎn)化表前洞段（隧洞進(jìn)口到彎段）地應(yīng)力應(yīng)力值（MPaa）方位角傾角X軸應(yīng)力（MPaa）Z軸應(yīng)力（MPaa）剪應(yīng)力Txz（MPa）σ11.89N60.7ooE仰角53.2o0.20771.21180.5017σ20.27N35.4ooW仰角81.9o0.00320.26460.0290σ3-0.02N44.0ooE俯角38.0o-0.00744-0.007660.0075

0.20351.46890.5381后洞段（隧洞彎彎段到出口口）

地應(yīng)力值方位角傾角X軸應(yīng)力（MPaa）Z軸應(yīng)力（MPaa）剪應(yīng)力Txz（MPa）σ11.89N60.7ooE仰角53.2o0.00401.21180.0695σ20.27N35.4ooW仰角81.9o0.00520.26460.0370σ3-0.02N44.0ooE俯角38.0o-0.00166-0.007660.0035

0.00761.46890.1101BMP2000圍巖穩(wěn)定分析軟件包為了使其對(duì)工程圍巖變形與破壞特性的粗略評(píng)估更接近實(shí)際情況，對(duì)圍巖進(jìn)行亞類細(xì)分。根據(jù)地質(zhì)提供的具體計(jì)算斷面處圍巖的單位彈性抗力系數(shù)和彈性模量，對(duì)圍巖進(jìn)行亞類細(xì)分。依據(jù)建議噴錨支護(hù)措施，對(duì)噴錨支護(hù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。程序中可以對(duì)噴混凝土厚度、范圍、錨桿參數(shù)等進(jìn)行設(shè)定，通過(guò)對(duì)同一個(gè)典型噴錨支護(hù)斷面進(jìn)行反復(fù)的支護(hù)參數(shù)調(diào)整、反復(fù)計(jì)算，最后達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的效果。3計(jì)算結(jié)果及分析最終確定的圍巖噴錨支護(hù)參數(shù)如下表：圍巖類別噴混凝土厚鋼筋網(wǎng)錨桿備注直徑間排距直徑長(zhǎng)度間排距Ⅱ-Ⅲ5cm

22cm3m1.5m

Ⅲ10cm6mm20cm22cm3m1.5m

Ⅴ15cm8mm20cm25cm5m1.0m必要時(shí)加設(shè)鋼架架BMP2000程序可對(duì)隧洞的破壞情況進(jìn)行圖形化顯示，分別對(duì)Ⅱ、Ⅲ類圍巖進(jìn)行穩(wěn)定分析，洞周變形圖形結(jié)果如下：1.Ⅱ類圍巖支護(hù)后洞周變形圖2.Ⅲ類圍巖支護(hù)后洞周變形圖從以上圖形結(jié)果可以看出，Ⅱ類圍巖很穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)拉裂區(qū)；Ⅲ類圍巖在按照最終確定的支護(hù)參數(shù)支護(hù)后，局部出現(xiàn)拉裂區(qū)，底部出現(xiàn)的拉裂區(qū)不影響圍巖穩(wěn)定，頂拱拉裂區(qū)范圍較小，加設(shè)局部錨桿，但程序?qū)κ┘拥?/p>