【文章编号】1Oo2一O624(2O14)O6—0010—02
某水电枢纽工程引水隧洞塌方处理有限元法计算分析
韩松 ，刘佳 ，郭建业2，谢振峰2
(1．丰满发电厂，吉林吉林市132108；2．中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021)
[摘要】该工程引水隧洞为有压洞，具有洞径大、内水水头高及塌方范围大等特点，因此，其处
理方案的结构设计和计算是个关键问题。本文通过对塌方段处理方案的全面计算分析，最终
确定了堆渣体灌浆处理厚度和衬砌的结构配筋，该方案已在工程中成功实施，为确保电站效
益的持续发挥起到了极其重要的作用。
[关键词]引水隧洞；塌方处理；有限元法计算
【中图分类号】TV554 [文献标识码]A
1 工程概况
枢纽主要建筑物由挡水坝、岸坡式溢洪道、引
水隧洞、发电厂房及开关站等组成，为二等大(2)
型工程，地震基本烈度为Ⅵ度。引水隧洞全长约7
km，建筑物级别为3级。
2 隧洞塌方段情况简介
该隧洞在施工过程中产生局部塌方，塌方段
长度13．5 m，塌方空腔最大高度约40 m，隧洞中
心线垂直向上最大高度约31．5 m，塌方最大宽度
约25 m，塌方堆渣体上部净空最高约12 m。从纵
剖面上看，塌腔中心线偏向洞轴线右侧，两者夹角
约16~，从最大塌方横剖面上看，塌方偏向洞中心
线右侧(面向上游)，基本位于左顶拱至右腰线之
间90~的范围内。根据实测的塌方空腔形状和塌方
空腔估算，塌方量4 300 m3左右。
3 塌方段工程地质条件
围岩为二叠系下统吴家坪组(P )下部和二叠
系上统茅口组(P )的上部地层。
吴家坪组(P )岩性含燧石结核灰岩夹白云质
灰岩、泥灰岩、炭质灰岩，深灰色，细～微晶结构，中
厚层状构造；底部发育有透镜状厚度0～3．0 m，由
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破碎黑色泥灰岩、页岩夹中薄层碳质页岩构成的
软岩夹层，属软质岩，其中炭质页岩岩块投入水中
仅几分钟就崩解为细颗粒状和粉土的混合物，围
岩类别为Ⅳ类，自稳能力差。
茅口组(P )含沥青质燧石结核灰岩偶夹炭质
页岩和泥灰岩：深灰色，细～微晶结构，中厚层状构
造。中厚层状含燧石结核灰岩夹白云质灰岩、含沥
青质燧石结核灰岩均为硬质岩，岩石呈微风化状
态，围岩自稳能力强；洞壁干燥为主，局部潮湿，围
岩类别为Ⅱ类。
隧洞塌方段附近在两侧边墙各见有节理，走
向为N50o~60OE，倾向NW 和sE，倾角85~左右，
断续长度约50．0 m，宽度·0～2衄，方解石充填，
节理面起伏光滑，节理间距5-22 m，节理切割层
理，腰线以上存在不利围岩稳定的结构面组合。
吴家坪组(P抽)底部发育的透镜状厚度0-3．0
m (由破碎黑色泥灰岩、页岩夹中薄层碳质页岩构
成的软岩夹层)，自身为工程地质缺陷，炭质页岩
岩层受洞内水的浸蚀不断的软化变形，崩解的细
颗粒状和粉土的混合物沿破裂的喷射混凝裂缝溢
出形成小塌腔，小塌腔与不利围岩稳定的结构面
组合联合作用不断扩大塌腔酿成较大规模塌方。
2014年第6期 东北水利水电 规划设计
4塌方处理设计计算
4．1处理方案拟定
由于塌方段围岩破碎，塌腔上部情况无法探
明，若盲目处理会导致围岩继续失稳，造成二次塌
方，根据以往类似处理经验，结合塌方体实际情
况，决定对该塌方段采取管棚、超前小导管注浆配
合工字钢架支撑，对塌方地段灌注水泥液浆的处
理方法通过，管棚以上堆渣不再进行清理。
根据塌方段的施工方案，结合引水隧洞实际
受力情况，拟定了钢筋混凝土衬砌方案进行处理。
根据实测的塌方空腔形状，空腔上大下小，体
积约4 300 m3，空腔若全部采用混凝土回填处理
的话，回填量大、投资高、施工困难，因此设计对该
方案进行了大量计算和设计优化。由于堆渣体厚
度较大，对顶拱以上一定厚度范围内的堆渣体进
行固结灌浆处理，使其灌后达到一定的强度，根据
洞子实际受力，采用有限元法对灌浆处理厚度进
行敏感性分析，最终在满足设计安全可靠要求的
前提下优选出该参数。同时根据固结灌浆后的堆
渣体所能达到的弹性模量计算衬砌所需要的合理
配筋。
4．2 有限元法结构计算
根据正常蓄水位与下游调压井最高涌浪高
程，以及引水洞总长计算出隧洞塌方段中心线处
内水压力为100．1 m。根据地质纵剖面图地下水位
线显示，外水压力约120 m。
隧洞衬砌后设计洞径6．0 m，施工临时管棚在
洞中心线4 m 以外布设，钢筋混凝土衬砌厚度采
用1．0 mo
由于此处理方式下塌方段隧洞已非埋藏洞或
明洞，结构属于非杆件体系，因此采用了平面有限
元法选择最不利塌方断面进行分析计算。按照正
常运行及检修两种工况，根据隧洞最小内径、衬砌
厚度、实际受力等按照有限元法进行结构及配筋
验算。混凝土、岩石、灌浆后堆渣体的物理力学参
数见表1。
表1 各材料物理力学参数
经计算分析，结构安全由正常运行工况控制，
以此工况下灌浆堆渣体顶部水平向应力具有不小
于0．1 MPa的压应力为控制条
