余國慶 盧增梅

（淳安縣水利水電局，浙江淳安311700）

小型水工隧洞設計中的幾個工程地質(zhì)問題

余國慶 盧增梅

（淳安縣水利水電局，浙江淳安311700）

水工隧洞是水利水電樞紐中較復雜的建筑物之一，涉及的地質(zhì)問題較多。對小型水工隧洞的主要工程地質(zhì)問題進行了分析，討論了水工隧洞洞線布置中考慮的地質(zhì)因素，提出了小型水工隧洞設計中確定圍巖壓力與抗力系數(shù)的經(jīng)驗方法，對小型水工隧洞的勘察設計工作具有一定的指導作用。表1個。

水工隧洞；洞室走向；最小覆蓋厚度；堅固系數(shù)；彈性抗力系數(shù)

1 概 述

水工隧洞可以作為發(fā)電及灌溉的引水建筑，也可以作為排除洪水的泄水導流建筑，在水利水電工程中具有廣泛的應用。水工隧洞分為有壓與無壓式兩種，前者多具圓形的斷面，后者常采用馬蹄形或城門洞形。

浙江省淳安縣已建成的水工隧洞洞徑一般都在5m以下，只有少數(shù)泄洪洞達5m以上。由于前期地質(zhì)工作沒有引起足夠重視，曾有部分工程出現(xiàn)了一些工程安全問題。因此，在設計工作中，必須注意水工隧洞的地質(zhì)問題，合理選定隧洞軸線和圍巖的地質(zhì)設計參數(shù)。

2 水工隧洞的主要地質(zhì)問題

2.1 坍塌

小型水利水電工程往往由于建設資金原因，地質(zhì)勘探工作不到位，缺乏隧洞所在場區(qū)的詳細工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，致使設計人員進行隧洞設計時，將隧洞軸線選在了不良的地質(zhì)地段，沒有避開斷裂、節(jié)理裂隙、溶洞發(fā)育帶等不良地質(zhì)構造，如不及時采取有效的工程措施，可能會發(fā)生坍塌。如淳安縣河村水庫泄洪、發(fā)電二合一隧洞，圍巖為泥質(zhì)灰?guī)r，洞線與斷層走向小角度相交，施工期間隧洞沿線就出現(xiàn)大范圍塌方。

2.2 涌水

涌水是隧洞施工中常見的地質(zhì)問題。隧洞掘進過程中，破壞了賦水結構的邊界，改變了地下水的水動力條件，致使隧洞作為排泄通道溝通了與含水層的聯(lián)系，可引起軟弱體出現(xiàn)滲透變形，產(chǎn)生隧洞塌方冒頂；也可引起淺層地下水疏干枯竭、農(nóng)田漏水、井泉干枯等環(huán)境地質(zhì)問題。如淳安縣楓樹嶺水電站引水隧洞施工中，就曾出現(xiàn)洞頂沖溝斷流、山泉枯竭現(xiàn)象。

2.3 巖爆

巖爆是指在地下洞室開挖后，周邊圍巖產(chǎn)生脆性破壞而突然釋放的彈性能使巖石高速彈射并伴有響聲，從而擊壞設備或傷及施工人員。高地應力是巖爆產(chǎn)生的外因，脆硬、新鮮完整的巖體是巖爆產(chǎn)生的內(nèi)因。如淳安衍昌水電站引水發(fā)電隧洞，圍巖為粗粒斑狀花崗巖，巖體新鮮完整，洞室埋深達180m，洞體形成后發(fā)現(xiàn)巖石破裂聲并伴有厚4～10cm片石剝落，持續(xù)時間近20d。

3 洞線布置中考慮的地質(zhì)因素

水工隧洞洞線應在滿足樞紐總體布置的條件下，選擇在沿線地質(zhì)構造簡單、巖體穩(wěn)定完整、上覆厚度適中、水文地質(zhì)條件有利、施工方便的地段。隧洞通過不良地質(zhì)構造時，會使隧洞巖體失穩(wěn)的機率增大。

3.1 洞室走向

洞室的走向應根據(jù)隧洞通過區(qū)的巖層和主要地質(zhì)構造特征，發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)條件以獲得最大的承載能力，使洞線與巖層面、構造面、主要軟弱帶有較大的夾角。對整體塊狀結構巖體及厚層膠結緊密、堅硬巖體，交角不宜小于30°；對薄層巖體，特別是層間結合疏松的薄層狀巖體，交角不宜小于45°，這在隧洞選型中已形成了共識。

隧洞經(jīng)過層次凌亂、構造復雜的地層，或有侵入巖脈穿插于巖體時，裂隙水常沿此擠壓破碎帶滲入，加速風化作用，引起洞頂坍方、掉塊及超挖等問題。如淳安縣云港一級水電站，開挖洞徑3.6m，當隧洞進入奧陶系鈣質(zhì)泥巖與侏羅系晶屑凝灰?guī)r接觸帶后，隧洞邊挖邊坍，采用超前錨桿處理后方可繼續(xù)掘進。

3.2 最小覆蓋層厚度

水工隧洞最小覆蓋厚度要根據(jù)地形地質(zhì)、內(nèi)外水壓力、成洞條件和圍巖滲透性等綜合考慮。由于覆蓋厚度不足出現(xiàn)事故或大量滲水的工程實例較多，是水工隧洞設計人員最為關注的問題之一。如淳安縣鄭中水電站引水發(fā)電洞，巖性為中厚層泥質(zhì)灰?guī)r，洞徑2.0m，發(fā)電水頭85m，由于下平洞圍巖厚度不足30m，在充水試驗中，發(fā)生了圍巖抬動、地表冒水、鋼筋混凝土襯砌開裂破壞的事故。

對無壓隧洞圍巖的最小厚度在相關設計規(guī)范中沒有具體的規(guī)定，但從圍巖二次應力分布特征和形成坍落拱條件可知，隧洞頂板的新鮮巖層應有足夠的厚度，盡可能避免隧洞穿過頂板厚度小于3倍洞徑的地層。如淳安縣下坂水電站引水隧洞，洞徑2.0m×2.5m，該洞傍山布置，局部圍巖厚度小，施工中就出現(xiàn)多處塌方，大大增加了襯砌工程投資。

有壓隧洞的最小覆蓋厚度應能保證圍巖不產(chǎn)生滲漏失穩(wěn)和水力劈裂。對淺埋、特別是傍山隧洞，圍巖的構造應力已釋放，初始應力場為自重應力。對自重應力場，垂直應力σv為上部巖體自重所產(chǎn)生，而水平應力：

對陡傾地表條件下有壓隧洞最小覆蓋厚度按下式計算：D＝Kγhs／γRcosα

式中，μ為巖體的泊松比，一般為0.20～0.35；D為洞軸線埋深；γR為巖體的重度；K為安全系數(shù)（1.1～1.3）；洞內(nèi)水頭為hs；α為傾斜地表坡角；γ為水的重度。

從上述兩式可知：水平方向應力σh約為垂直方向應力σv的1／3上下，沿垂直方向的裂隙易產(chǎn)生水力劈裂，如巖體的重度取25kN／m3、水的重度取10kN／m3，對無襯砌或素混凝土襯砌，最小覆蓋厚度按不小于1倍內(nèi)水壓力水頭控制；對鋼筋混凝土襯砌，按不小于0.4倍內(nèi)水壓力水頭控制，能滿足圍巖上抬與最小主應力準則之要求。

4 圍巖壓力與抗力系數(shù)

圍巖對襯砌的影響，可用適當方法求出的主動力（圍巖壓力）和被動力（彈性抗力）的作用來代替，這兩個力的大小將直接影響到設計的襯砌厚度；而圍巖壓力、巖石彈性抗力的確定，是一個極其復雜的問題。如果條件許可，最好采用原位測定，盡可能消除人為誤差。對小型水工隧洞，由于圍巖壓力與抗力系數(shù)的實測工作費用較大，一般不可能實驗測定，通常根據(jù)巖體抗壓強度R、變形模數(shù)E，間接計算或按工程類比法取得。

4.1 堅固系數(shù)

圍巖的堅固系數(shù)簡稱普氏系數(shù)，其理論值為f＝τ／σ＝tgα＋c／σ，并據(jù)此確定坍落拱高度。f值實際上是一個隨應力變化而變化的函數(shù)，可作為綜合性的圍巖壓力系數(shù)來看。對小型水工隧洞的堅固系數(shù)可按經(jīng)驗公式：f＝k*R／100取值。

式中，R為巖石單軸抗壓強度；k為修正系數(shù)，對微風化完整巖：0.5～0.6；弱風化巖：0.4～0.5；裂隙發(fā)育巖：0.3～0.4；有規(guī)模較小的斷層：0.2～0.3；有規(guī)模較大的斷層并含地下水：0.1。

4.2 彈性抗力系數(shù)

圍巖抗力系數(shù)是圍巖產(chǎn)生單位變形時，單位面積上所需要的壓力，它的大小與巖體性質(zhì)和隧洞尺寸有關。圍巖的彈性抗力系數(shù)越大，對襯砌的反力也越大，它就有可能分擔更多的內(nèi)水壓力。

彈性抗力系數(shù)公式為：K0＝E／r（1＋μ）

式中，E為巖體的變形模量（kg／cm2）；r為隧洞半徑（cm）；μ為巖體的泊松比。

小型水工隧洞可以用巖石室內(nèi)彈模試驗資料的彈形模量代之，并在上式中乘以系數(shù)0.1～0.5修正；對巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、張開度大者則取小值。

4.3 彈性抗力系數(shù)、堅固系數(shù)的經(jīng)驗取值

從巖體f、K0的物理力學概念分析，其與巖石強度、彈性模量有關，也受巖體裂隙發(fā)育程度、張開與充填物影響。福建水電設計院通過260組數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，堅固系數(shù)、單位彈性抗力系數(shù)在量上有很好的相關。根據(jù)淳安縣小型水工隧洞工程設計實例，巖石堅固系數(shù)（f）和抗力系數(shù)（K0）經(jīng)驗取值如下所示（見表1）。

表1 水工隧洞圍巖地質(zhì)參數(shù)建議值

5 結 論

隧洞工程是水利水電工程建設中較為復雜的建筑物之一，地質(zhì)因素影響較大。為此，在水工隧洞設計中，必須充分利用現(xiàn)有的地形地質(zhì)資料，在查清隧洞沿線地質(zhì)條件的基礎上，合理選擇進、出口位置和洞軸線布置方案，而在施工中因地質(zhì)條件變化而調(diào)整洞線方案是極不慎重的。小型水工隧洞限于資金技術原因，圍巖壓力、彈性抗力系數(shù)不能實驗測定，因此，必須加強施工地質(zhì)工作，根據(jù)洞室圍巖特征、自穩(wěn)條件等，合理選用f、K0等地質(zhì)設計參數(shù)，經(jīng)工程實踐檢驗一般能滿足水工隧洞的施工與運行安全。

［1］ 陸兆溱．工程地質(zhì)學［M］.北京：中國水利水電出版社，1989.

［2］ 呂有年．水工壓力隧洞結構計算與巖石抗力系數(shù)問題［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［3］ 祁慶和．水工建筑物［M］.北京：中國水利水電出版社，1987.

［4］ SL279—2002，水工隧洞設計規(guī)范［S］.

［5］ 劉啟釗．水電站［M］.北京：中國水利水電出版社，1986.

責任編輯 吳 昊

2014－12－31

余國慶（1964－），男，高級工程師，主要從事水利工程建設管理與勘察設計工作。

E_mail：yugq64＠163.com