阿不都拉水庫發電隧洞圍巖穩定性分析

張 明

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830001）

1 工程概況

阿不都拉水庫位于塔城市東北部的阿不都拉河中上游基巖山區河段上。阿不都拉河發源于塔爾巴哈臺山東段南坡，多年平均徑流量為1.018 億m3，是塔城境內額敏河的第二大支流。水庫距塔城市約40 km，壩址位于阿不都拉河出山口上游2.1 km 處。隧洞布置于左壩肩山體中，由上游進口段、上游洞身段、閘井段、下游洞身段、出口明渠段及消能段組成，全長692.00 m（洞身段長635.00 m），進口分上、下兩個，上部進口高程972.24 m，下部進口高程952.10 m。

2 發電隧洞建筑物工程地質條件評價

1）樁號0+000～0+010 為發電洞進口段，樁號0+085～0+101 為發電洞出口段，巖性均為青灰色凝灰質砂巖，呈強風化狀，巖石產狀為：325°NE∠83°，結構呈中厚層狀或大塊狀，圍巖頂部張性裂隙發育，節理裂面十分發育，貫穿張裂，不穩定，泥質充填，滴水嚴重，時有掉塊現象，硬質巖石。圍巖類別為V 類。建議120 mm～150 mm 厚鋼筋網噴射混凝土，設置1.5 m～2.0 m 長的錨桿，采用仰拱，必要時，加設鋼架。

2）樁號0+010～0+025、0+033～0+070 段，巖性為下泥盆統塔爾巴哈臺組下亞組灰黑色凝灰巖、凝灰質砂巖，巖石產狀為320°NE∠83°，厚層狀- 巨厚層狀，層理不明顯，巖體呈強風化狀～新鮮基巖，強風化層厚度3 m～4 m，弱風化層厚度3.5 m～5 m。該段節理裂隙發育，多呈擠壓破碎帶，寬0.3 m～1.0 m，硅質充填，地下水活動輕微，沿巖體結構面有滴水現象。圍巖類別為IV 類。建議80 mm～100 mm 厚噴射混凝土，設置1.5 m～2.0 m 長的錨桿。

3）樁號0+025～0+033、0+070～0+085 段，巖性為下泥盆統塔爾巴哈臺組下亞組灰黑色凝灰巖、凝灰質砂巖，巖石產狀為320°NE∠83°，堅硬巖為主，弱- 微風化，圍巖短時間之內穩定，洞頂部見有平緩巖層及節理裂隙，局部易坍塌掉塊，巖體完整性較好，地下水活動輕微，沿巖體結構面方向見有滲水現象，圍巖類別為Ⅲ類。建議50 mm厚噴射混凝土，設置1.5 m～2.0 m長的錨桿。

3 發電隧洞圍巖穩定性分析

3.1 計算模型及參數

根據對阿不都拉水庫發電隧洞工程地質條件的分類評價，選取了最容易發生事故和對圍巖穩定性要求高的地帶，出口段或臨近出口段等均采用鉆爆法施工掘進，對支護的要求較高，因此本次選取了發電隧洞近出口段埋深約130 m 左右的Ⅳ類圍巖中的典型剖面，進行圍巖穩定性數值模擬分析。根據該工程的實際情況，將實際研究的出口段隧洞簡化為平面應變模型；采用Midas 軟件，本構關系采用彈塑性材料，強度準則按照摩爾- 庫倫強度準則；采用植入式梁單元模擬噴射混凝土、鋼拱架，不考慮節點耦合；采用植入式桁架模擬錨桿。地表面設置為自由邊界，左右兩側設置為水平方向（X 方向）的約束，底部采用垂直方向（Y 方向）的約束。計算模型及網格劃分見圖1。

圖1 計算模型

根據隧洞出口段或臨近出口段的圍巖類型和特征以及所采取的支護方案，并結合地勘報告提供的地質參數，Ⅳ類圍巖計算參數如表1 所示，噴錨支護參數見表2。

表1 計算參數

表2 噴錨支護計算參數

3.2 圍巖穩定性分析

采用Midas 軟件，對發電隧洞近出口段埋深約130 m 左右的Ⅳ類圍巖在開挖后和支護后的位移、主應力、塑性區及屈服深度，還有噴射混凝土主應力和錨桿軸力進行計算，結果見圖2～6，并對結果進行分析。

3.2.1 圍巖位移分析

圖2 垂直方向圍巖位移分布圖

由圖2 可知：在隧洞開挖后，圍巖會向臨空面的回彈，在隧洞頂部和底部的位移變化最大，而兩側的變化較小，其中：支護前隧洞頂部圍巖的最大位移為1.36 cm，支護前隧洞底部圍巖的最大位移為1.25 cm；在隧洞支護后，圍巖的回彈變形量有明顯的減小，位移變化最大的部位仍在隧洞的頂部和底部，其中：支護后隧洞頂部圍巖的最大位移為0.81 cm，支護前隧洞底部圍巖的最大位移為0.74 cm。由此可見，支護對隧洞開挖后圍巖的回彈變形量有較好的控制作用，在該處可使圍巖變形量減小40%左右，效果明顯。

3.2.2 圍巖主應力分析

圖3 圍巖主應力分布圖

由圖3 可知：由于隧洞埋深在130 m 左右，地表對隧洞圍巖的影響較小。在隧洞開挖后，圍巖中應力發生了重新分布，在隧洞表面及向圍巖內一定范圍內出現了壓應力集中現象，在圍巖臨隧洞的表層，其壓應力在0.95 MPa～1.20 MPa 之間變化，最大壓應力為1.20 MPa；在隧洞錨噴支護后，圍巖臨隧洞的表層，其壓應力在0.71 MPa～0.93 MPa 之間變化，最大壓應力為0.93 MPa。由此可見，支護可使隧洞開挖后圍巖表層及周圍的壓應力有所減小，使圍巖的整體強度有所增加，但主應力在開挖前后變化不大，減小幅度在1/4～1/5 之間。

3.2.3 支護結構應力分析

圖4 噴射混凝土及鋼拱架主應力分布圖

圖5 錨桿軸力分布圖

由圖4 和圖5 可知：支護結構中的噴射混凝土及鋼拱架基本均處于受壓狀態，其最大主應力為5.45 MPa,；錨桿均處于受拉狀態，其最大軸力約為22 kN，小于錨桿的最大允許應力，是安全的。

3.2.4 圍巖塑性區分析

圖6 圍巖塑性區分布圖

由圖6 可知：在隧洞開挖后，圍巖中塑性區較大，易發生張剪破壞；而在隧洞錨噴支護后，圍巖塑性區的范圍明顯減小，此時圍巖屈服區在隧洞頂部的深度為1.63 m，在隧洞左右兩幫的深度分別為0.75 m 和0.77 m，在隧洞底部的深度為1.52 m，均小于錨桿的長度2.50 m，均在支護范圍內。

4 結論

根據隧洞出口段或臨近出口段的圍巖類型和特征以及所采取的支護方案，并結合地勘報告提供的地質參數，采用Midas 軟件，建立了埋深約130 m 左右的Ⅳ類圍巖發電隧洞開挖支護數值模型，對該隧洞開挖后和支護后的位移、主應力、塑性區及屈服深度，還有噴射混凝土主應力和錨桿軸力進行模擬計算，并對結果進行分析，結果表明采取的支護設計方案是合理的，支護后的圍巖是穩定的，支護設計參數可以滿足要求。