石门坎水电站位于李仙江干流崖羊山水电站的下游，工程开发任务以发电为主。枢纽由混凝土拱坝、引水式地面厂房组成，最大坝高108.00m，总库容1.95×108m3，总装机容量130MW。工程前期导流采用河床一次断流、围堰挡水、导流隧洞泄流的方式，导流洞布置于坝址右岸山体内。
导流工程大多是临时工程，但其在整个工程建设过程中发挥着不可忽视的作用，导流洞的设计既要保证导流洞安全，又要使其尽量经济。根据本工程的地质条件，导流洞采用一次喷锚支护和钢筋混凝土衬砌相结合的衬砌方式。
地下工程喷锚支护的设计方法很多，特别是近30年来，有限元在模拟地下工程喷锚支护计算中应用越来越广泛，它能模拟围岩弹塑性、粘弹塑性及岩石层状和节理裂隙等力学特征，因而成为分析地下工程的强有力手段。但是，由于岩体本构关系复杂、力学参数和边界条件很难准确确定，因此有限元计算受人为因素影响也比较大，结果带有一定的随机性。其它各种模拟方法也都有一定的适用性和局限性。所以，现在国内外大多数地下工程的喷锚支护设计仍以工程类比法为主。
典型工程类比法是建立在研究大量工程的实践经验、统计数字和观测成果基础上的，结合具体工程的地质条件，在类比、分析、判断的基础上进行新的工程设计。典型工程类比法是一种半经验半理论的设计方法，它由多种理论方法、专家群体经验、真实的数据资料与计算机技术有机组成。这方面的有总参工程兵第四设计研究院的《典型类比分析法围岩稳定分析包BMP2000》，该程序可以利用容易获得的一些地质参数、岩石力学参数和设计的支护参数，快速而直观地显示出隧洞的变形和破坏情况，为地下工程喷锚支护设计的快速决策提供依据。
2 导流洞地质条件石门坎水电站导流洞采用施工方便、水力条件较好的城门洞型式，断面尺寸为7.0m×9.0m（宽×高），最大埋深约185m，洞长544.99m。
隧洞沿线穿过由众多岩性不同的砂岩组成。其中基本稳定的Ⅱ-Ⅲ类围岩长约215m，局部稳定性差的Ⅲ-Ⅳ类围岩长约316m，构造带及其影响带Ⅴ围岩长约15m。围岩均为微风化-新鲜岩体，大部分洞段岩层走向与洞向夹角较大，对围岩稳定有利。
隧洞沿线分别揭露F24和J21断层，其走向与洞向夹角为76°和74°，两者规模不大，不会对洞室稳定造成大的影响，稍加处理即可。但其附近岩体可能会破碎，应及时采取加固措施。另外，小规模顺层断层、挤压带或剪切带可能较发育，其余洞向多为大角度相交，虽对围岩稳定影响较小，但应引起重视并及时采取支护措施。
导流洞大部分洞段位于地下水位以下，地下水位较高，岩体面间摩擦系数降低，粉砂岩、泥岩等较软岩失水易风化崩解，地下水作用使围岩自身稳定性有所降低。
2.1 围岩分类
根据水利水电工程围岩分类法、Q系统分类法对石门坎水电站导流洞洞室围岩进行了分类，见表一，参照《水工隧洞设计规范》DL/T 5195-2004锚喷支护类型及其参数表初步确定了支护措施。
表一 石门坎水电站导流洞围岩分类表
| 围岩类别 | 水电围岩评分 | Q值 | 弹性模量E（MPa） | 单位弹性抗力系数K0（MPa/cm） | 建议支护措施 |
| Ⅱ | 65～85 | 10～40 | 10～20 | 67～115 | 不支护或局部锚杆或喷薄层混凝土。大跨度时，喷混凝土、系统锚杆加钢筋网。 |
| Ⅲ | 45～65 | 1～10 | 10～15 | 56～80 | 喷混凝土、系统锚杆加钢筋网。跨度为20～25时，并浇筑混凝土衬砌。 |
| 6～10 | 22～27 | ||||
| Ⅳ | 25～45 | 0.1～1 | 1～4 | 8～18 | 喷混凝土、系统锚杆加钢筋网。并浇筑混凝土衬砌。对于大跨度洞室 Ⅴ类围岩可用钢拱架管棚支护。 |
| Ⅴ | <25 | <0.1 | 0.2～0..4 | <500 |
2.2 典型工程类比法的应用
石门坎水电站导流洞喷锚支护设计按照新奥法原理，采用“设计—施工—监测—修正设计的施工参数”的方法，在施工中加强现场监测，根据实际情况，及时调整支护参数。主要运用工程类比法进行设计，使用总参工程兵第四设计研究院的围岩稳定分析包BMP2000进行稳定分析。围岩稳定分析包BMP2000是依据典型工程类比法编制出来的工程应用程序，程序内部包含有具有代表性的“典型工程”的地质条件、比较系统完整的原位测试资料和成功的工程经验，可根据用户输入的工程地质条件和设计参数自动进行类比分析，对围岩稳定作出预测和评价。
BMP2000程序中规定沿隧洞洞轴线方向为Y轴，隧洞横剖面水平向右为X轴，铅直向下为Z轴，而地质上一般提供的是地应力的三个主应力σ1、σ2和σ3，所以需要将地质提供的地应力转化为程序规定的计算坐标系中的应力分量。
转化公式如下：
式中
，
，
(
)分别为三个主应力对
，
，
坐标轴的方向余弦值。
其中
，
(
)分别为三个主应力
与隧洞洞轴线的夹角和倾角。
表二 实测地应力转化表
前洞段（隧洞进口到弯段）
| 地应力 | 应力值（MPa） | 方位角 | 倾角 | X轴应力（MPa） | Z轴应力（MPa） | 剪应力Txz（MPa） | |
| σ1 | 1.89 | N 60.7o E | 仰角53.2o | 0.2077 | 1.2118 | 0.5017 | |
| σ2 | 0.27 | N 35.4o W | 仰角81.9o | 0.0032 | 0.2646 | 0.0290 | |
| σ3 | -0.02 | N 44.0o E | 俯角38.0o | -0.0074 | -0.0076 | 0.0075 | |
| 0.2035 | 1.4689 | 0.5381 | |||||
| 后洞段（隧洞弯段到出口） | |||||||
| 地应力 | 值 | 方位角 | 倾角 | X轴应力（MPa） | Z轴应力（MPa） | 剪应力Txz（MPa） | |
| σ1 | 1.89 | N 60.7o E | 仰角53.2o | 0.0040 | 1.2118 | 0.0695 | |
| σ2 | 0.27 | N 35.4o W | 仰角81.9o | 0.0052 | 0.2646 | 0.0370 | |
| σ3 | -0.02 | N 44.0o E | 俯角38.0o | -0.0016 | -0.0076 | 0.0035 | |
| 0.0076 | 1.4689 | 0.1101 | |||||
BMP2000围岩稳定分析包为了使其对工程围岩变形与破坏特性的粗略评估更接近实际情况，对围岩进行亚类细分。根据地质提供的具体计算断面处围岩的单位弹性抗力系数和弹性模量，对围岩进行亚类细分。依据建议喷锚支护措施，对喷锚支护进行详细设计。程序中可以对喷混凝土厚度、范围、锚杆参数等进行设定，通过对同一个典型喷锚支护断面进行反复的支护参数调整、反复计算，最后达到既安全又经济的效果。
3 计算结果及分析最终确定的围岩喷锚支护参数如下表：
| 围岩类别 | 喷混凝土厚 | 钢筋网 | 锚杆 | 备注 | |||
| 直径 | 间排距 | 直径 | 长度 | 间排距 | |||
| Ⅱ-Ⅲ | 5cm | 22cm | 3m | 1.5m | |||
| Ⅲ | 10cm | 6mm | 20cm | 22cm | 3m | 1.5m | |
| Ⅴ | 15cm | 8mm | 20cm | 25cm | 5m | 1.0m | 必要时加设钢架 |
BMP2000程序可对隧洞的破坏情况进行图形化显示，分别对Ⅱ、Ⅲ类围岩进行稳定分析，洞周变形图形结果如下：
1.Ⅱ类围岩支护后洞周变形图
2.Ⅲ类围岩支护后洞周变形图
从以上图形结果可以看出，Ⅱ类围岩很稳定，不会出现拉裂区；Ⅲ类围岩在按照最终确定的支护参数支护后，局部出现拉裂区，底部出现的拉裂区不影响围岩稳定，顶拱拉裂区范围较小，加设局部锚杆，但程序对施加的锚杆反应不敏感，不能够很好地显示拉裂区的变化，因此需根据塌落块的厚度计算所需锚杆的直径。
4 结束语1．典型类比分析法是以典型工程为比较的核心，并且参照数值分析的结论，不仅比普通的类比分析法更为科学和可靠，而且还可以对围岩稳定快速作出判断。
2．初期支护设计不仅要满足围岩稳定要求，还要尽可能做到经济、合理。
参考文献
1 王积军，齐震明，典型工程类比法在小浪底工程地下厂房设计中的应用，人民黄河，1996，（3）。
2 N.Barton等.隧道支护设计用的岩体工程分类，隧道译丛，1976，（2）。
