瀑布溝水電站尾水閘門室上游邊墻開裂原因分析

王能峰，周云金，尹顯科，吳 強

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

瀑布溝水電站地下廠房洞室群位于大壩左岸花崗巖山體中，埋深大于200m。其中尾水閘門室位于主變室下游，并與之平行布置，與主變室之間的巖墻厚32.7m，上游邊墻與6條尾水管及其連接洞相接，下游邊墻連接2條尾水洞，其上覆巖體240～300m，洞室全長206.5m，洞軸線N42°E，開挖斷面為城門洞形，斷面尺寸(寬×高)=17.4×55.15m，底板高程655.4m。

2 基本情況調查

從尾水閘門室上游邊墻0+00～0+64m段裂縫的現場調查情況看，裂縫分布范圍右側以 f19(βμ)輝綠巖脈斷層為界，在樁號0+64m處由拱座高程706m一直延伸至下部高程683m，上部基本沿拱座(高程706m)分布，左側邊界不明顯;在樁號0+00～0+64m，上部高程701～706m之間分布多條豎向裂縫。上部裂縫基本沿噴層開裂，其余上游側頂拱主要是噴層開裂，掛網鋼筋外露。樁號0+64m處沿f19(βμ)裂縫，上部寬7～8cm，深40cm，下部寬2～3cm，深20cm。

3 基本地質情況

尾水閘門室上游邊墻樁號0+00～0+64m段巖性為花崗巖，微新巖體，塊狀～次塊狀結構，為Ⅱ類圍巖;樁號0+20～0+50m段頂拱巖體微風化～新鮮，鑲嵌～次塊狀結構，為Ⅲ類圍巖。巖體中主要發育兩組節理:① 近 SN/E∠50°～55°，延伸3～6m，部分大于7m，新鮮，平直粗糙，閉合 ，間距40～70cm，局部20～30cm;② N55°～60°W/SW∠30°～40°，延伸4～7m，少數大于10m，新鮮，平直粗糙，閉合，間距 50～80cm，局部 30～40cm;③N20°～30°W/SW∠55°～65°，延伸4～7m，新鮮，平直粗糙，閉合，間距20～50cm。節理主要為兩組或兩組加隨機節理的組合。

開挖揭示的軟弱結構面為:

(1)f19(βμ):輝綠巖脈斷層，產狀 N55°～65°W/SW∠75°～80°，跨三壁，寬 10～40cm，由碎裂巖、片狀巖及少量碎粒巖組成，帶內可見條帶狀石英，結構緊密，沿帶局部滲、滴水。

(2)f(6):產狀 N30°W/SW∠40°，跨三壁，上游側逐漸尖滅，下游側被f19(βμ)限制，寬5～15cm，由碎裂巖及少量碎粒巖組成，結構緊密，干燥。

(3)f(7):產狀 N70°W/SW∠45°，跨三壁，上游側逐漸尖滅，下游側被f19(βμ)限制，寬3～10cm，由碎裂巖及少量碎粒巖組成，結構緊密，干燥。

(4)βμ(3):輝綠巖脈，產狀 N55°E/NW∠60°～75°，寬15～25cm，由碎裂巖、碎塊巖及少量碎粒巖組成，碎粒巖斷續分布于上盤面，厚2～3cm，結構緊密，濕潤，在上游邊墻與f28(βμ)和g(13)相交，并被f(8)錯斷，錯距約3m，下游側出露于交通洞連接洞左端墻。

(5)βμ(4):輝綠巖脈，N60°～70°W/SW∠75°～85°，僅出露于上游邊墻，寬度變化大，寬10～300cm，由碎裂巖、碎塊巖及少量碎粒巖組成，帶內可見脈狀、團塊狀石英，結構緊密，濕潤，上部逐漸尖滅。

此段地下水不豐，洞壁干燥，僅沿個別軟弱結構面滲、滴水。

上游側頂拱廠(橫)0+25～0+45m段有弱巖爆發生，主要表現為片、板狀剝落。

此段開挖后成型基本規則，僅頂拱由于開挖爆破控制差，洞室成型不好，施工過程中，多處發生掉塊、垮塌。

4 巖體物理力學指標和設計支護參數

4.1 巖體物理力學指標

工程區新鮮～微風化花崗巖濕抗壓強度Rw=100～150MPa，巖體多發育1～2組裂隙，結構面間距大于0.5m，巖體聲波速度大于4.5km/s，結構面新鮮粗糙，地下水活動微弱，巖體變形模量E0=15～30GPa，巖體為整體塊狀～塊狀結構，圍巖屬穩定、基本穩定的Ⅱ類，成洞條件較好。巖體物理力學參數見表1。

4.2 設計參數

尾閘室支護參數為:

(1)頂拱:φ28@120，L=6m，頂拱掛鋼筋網 φ8@20×20。

(2)上游邊墻:高程681.8m 以上 φ28@150，L=7m;681.8m 以下 φ32@150，L=7.5m，入巖7m。高程691m錨索2000kN@400，均長20m;高程687、683m錨索2000kN@400，均長33m，與主變室對穿;高程 679、675、671m 錨索 2000kN@400，均長20m;687m以上噴鋼纖維混凝土12cm，687m以下噴混凝土8cm。

(3)下游邊墻:φ28@150，L=7m，下部 φ28@150，L=7.5m，入巖7m;高程691、687、683、679m 錨索2000kN@400，均長20m，上部噴鋼纖維混凝土12cm，下部噴混凝土8cm。

表1 巖體物理力學性指標建議值

5 監測分析

對布置在尾水閘門室樁號0+5m和0+49.6m處的監測斷面的監測數據分析表明，0+5m處上游邊墻總變形量和變形速率均較小，而0+49.6m處上游邊墻總變形量較大，達60～80cm，同時對比主變室此樁號處的多點位移計的監測數據，分析得出如下結果(見圖1～5):

(1)變形開始較快發展的時間在2007年9月下旬，尾水閘門室Ⅴ層1號井在2007年7月開挖完成，主變室在2007年5月開挖完成，2號尾水管及其連接洞開挖時段為2007年3月～2008年3月，說明變形與2號尾水管及其連接洞的開挖密切相關。

圖1 主變室0+49.6m下游邊墻(高程686m)M 3 13多點位移計絕對位移—時間曲線

圖2 尾水閘門室0+49.6m上游邊墻(高程700m)M 4 12多點位移計絕對位移—時間曲線

圖3 尾水閘門室0+49.6m上游邊墻(高程691m)M 4 11多點位移計絕對位移—時間曲線

圖4 尾水閘門室0+49.6m上游邊墻(高程679m)M 4 10多點位移計絕對位移—時間曲線

(2)變形深度由上往下逐漸加深，與0+49.6m處橫剖面上βμ(3)輝綠巖脈位置相符，表明變形深度主要由βμ(3)控制。

6 開裂原因分析

依據監測數據分析結果，結合施工時段和地質情況，分別模擬了不同開挖階段尾閘室上游邊墻附近的總體位移變化情況(見圖6)。分析表明，0+00～0+64m段的開裂主要受βμ(3)和f19(βμ)控制，同時由于2號尾水管及其連接洞開挖和尾水閘門室高邊墻引起的應力調整，特別是2號尾水管及其連接洞的開挖，引起了此段尾閘室上游邊墻產生較大變形，最終導致變形開裂。

7 處理方案及結論

由于尾閘室上游邊墻中部有錨索支護，對變形體進行了有效的支護，保證了上游邊墻此段沒有發生變形破壞直至垮塌。為了尾水閘門室洞室的長期穩定，對此段采取了加強支護，在樁號0+00～0+65m段的高程702～705m之間，在原有系統支護基礎上，內插兩排φ28@250，L=12m的錨筋束。直至目前，此段變形監測已經收斂，穩定。

綜合以上表明:

(1)尾閘室上游邊墻0+00～0+64m段的開裂主要受βμ(3)和f19(βμ)控制，同時由于2號尾水管及其連接洞開挖和尾水閘門室高邊墻引起的應力調整，導致了開裂;

(2)施工期應注意洞室交叉洞段因存在潛在的軟弱結構面組合快速開挖所導致較大的變形;

(3)設計系統支護參數以及后期的加強支護是有效的;

(4)施工期的監測尤為重要，并應能及時分析反饋，同時應重點關注薄弱部位的長期變形問題。

圖5 尾水閘門室0+49.6m上游邊墻(高程690m)錨索測力計PR5應力值曲線

圖6 尾水閘門室0+49.6m上游邊墻斷面不同開挖階段的總位移變化