XQ电站引水隧洞出水口段围岩及出口边坡稳定性研究

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进入到新世纪,我国水利水电建设得到蓬勃发展,其中引水式电站引水隧洞的开挖必然会涉及到隧洞出口段围岩及出口边坡的稳定,而这通常是引水式电站建设中的一个关键工程技术难题。本文以XQ电站引水隧洞出口段围岩及出口边坡为研究对象,通过地质调查、理论分析、FLAC3D数值模拟和块体理论程序等相结合的手段,研究了隧洞出口段围岩及出口边坡应力分布情况、变形特征和破坏的一般规律,总结了影响其稳定性的基本因素,得出了变形破坏的模式机理,进一步分析了隧洞开挖及爆破对出口边坡的稳定性影响,并结合研究成果给出了支护建议。主要研究成果如下:(1)通过分析隧洞出口段围岩变形特征及边坡破坏模式,得出了XQ引水隧洞出口段围岩整体变形破坏机理以拉剪及剪切破坏为主,围岩局部块体破坏主要以隧洞顶部不稳定块体的坠落和隧洞壁两侧上方沿着不同结构面进行滑移为主;而引水隧洞出口边坡易发生滑移-弯曲-倾倒破坏。(2)采用FLAC3D分析了隧洞开挖前不同工况下出口边坡的稳定性,得出了相应的应力特征、位移特征和塑性区变化情况。通过强度折减法,得到了天然、地震和降雨三种工况下边坡的稳定系数分别为3.48、3.19、2.84。(3)建立FLAC3D三维数值分析模型,通过对隧洞围岩的整体稳定性分析,随着隧洞开挖,压应力在洞壁两侧逐渐增加,拉应力仅在靠近隧洞口的洞顶部位显现,洞底和洞壁两侧的最大剪切应变增量值逐渐增大,而其范围逐渐减小。在隧洞开挖过程中,隧洞围岩的塑性区逐渐减小,开挖到60m时,主要呈现剪切塑性区;当开挖到90m时,在边墙处出现拉剪破坏。随着隧洞开挖,主要位于洞顶和洞底的位移值也逐渐增加,但发生位移的范围逐渐减小。(4)基于块体理论,利用Unwedge程序筛选出隧洞顶的破坏方式基本都为坠落,隧洞壁左右侧上方的破坏方式为沿着不同结构面进行滑移。(5)运用FLAC3D模拟了隧洞开挖对出口边坡的影响,隧洞开挖后,边坡坡脚和靠近边坡表面板理面附近出现了局部拉应力。隧洞周围产生明显的位移迹象,最大位移量为4.72mm,而在边坡上产生的最大位移量为3.0mm,主要位于坡脚处。隧洞口处塑性区深度范围约为25m,仅在隧洞周围产生了明显的最大剪切应变增量,其最大值为1.87mm,但对边坡的影响很小。(6)基于等效应力的方法,对隧洞口爆破进行了模拟,得到了爆破对出口边坡稳定性的影响规律。
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