小型水工隧洞設計中的幾個工程地質問題

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，涉及的地質問題較多。對小型水工隧洞的主要工程地質問題進行了分析，討論了水工隧洞洞線布置中考慮的地質因素，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問題，合理選定隧洞軸線和圍巖的地質設計參數(shù)。

2 水工隧洞的主要地質問題

2.1 坍塌

小型水利水電工程往往由于建設資金原因，地質勘探工作不到位，缺乏隧洞所在場區(qū)的詳細工程地質和水文地質資料，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地段，沒有避開斷裂、節(jié)理裂隙、溶洞發(fā)育帶等不良地質構造，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，產生隧洞塌方冒頂；也可引起淺層地下水疏干枯竭、農田漏水、井泉干枯等環(huán)境地質問題。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。高地應力是巖爆產生的外因，脆硬、新鮮完整的巖體是巖爆產生的內因。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，選擇在沿線地質構造簡單、巖體穩(wěn)定完整、上覆厚度適中、水文地質條件有利、施工方便的地段。隧洞通過不良地質構造時，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、內外水壓力、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倍內水壓力水頭控制；對鋼筋混凝土襯砌，按不小于0.4倍內水壓力水頭控制，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）經驗取值如下所示（見表1）。

表1 水工隧洞圍巖地質參數(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)有的地形地質資料，在查清隧洞沿線地質條件的基礎上，合理選擇進、出口位置和洞軸線布置方案，而在施工中因地質條件變化而調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等地質設計參數(shù)，經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