長河壩水電站地下廠房圍巖復(fù)合型變形破壞特征分析

程 麗 娟，　譚 可 奇，　張 志 軍

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都　610072)

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長河壩水電站地下廠房圍巖復(fù)合型變形破壞特征分析

程 麗 娟，譚 可 奇，張 志 軍

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：長河壩水電站地下廠房實(shí)測最大地應(yīng)力超過30 MPa，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為3.75～7.5，屬于高地應(yīng)力區(qū)。監(jiān)測資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：長河壩水電站地下廠房實(shí)測變形量值大于典型的高地應(yīng)力地下廠房——錦屏一級(jí)水電站地下廠房的變形量。但長河壩水電站地下廠區(qū)地應(yīng)力水平低于錦屏一級(jí)水電站廠區(qū)，巖體質(zhì)量優(yōu)于錦屏一級(jí)水電站廠區(qū)。針對(duì)這一異常現(xiàn)象，從聲波測試資料、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及廠區(qū)結(jié)構(gòu)面特征等方面出發(fā)，對(duì)長河壩水電站地下廠房圍巖變形破壞特征進(jìn)行了綜合分析，認(rèn)識(shí)到長河壩水電站地下廠房圍巖變形量大的根本原因在于高地應(yīng)力下結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖的劣化作用被加劇，從而導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)淺層松弛程度大、變形量大的現(xiàn)象，屬于結(jié)構(gòu)面與應(yīng)力復(fù)合型變形破壞模式。根據(jù)研究結(jié)果，對(duì)長河壩水電站地下廠房支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：高地應(yīng)力；地下廠房；松弛區(qū)；變形破壞；長河壩水電站

1概述

長河壩水電站引水發(fā)電系統(tǒng)位于左岸山體中，地下廠房水平埋深約230～430 m，垂直埋深約285～480 m，巖性以花崗巖為主，夾少量閃長巖和輝長巖，巖性較單一，巖體強(qiáng)度高。地下廠區(qū)無區(qū)域性斷層通過，巖體完整性好，多呈次塊狀結(jié)構(gòu)，少量為碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖類別以Ⅲ～Ⅱ類為主，局部裂隙密集帶及斷層破碎帶為Ⅳ類；巖脈不發(fā)育，主要結(jié)構(gòu)面為次級(jí)小斷層、擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙。裂隙發(fā)育方向以NE向?yàn)橹鳎瑑?yōu)勢(shì)裂隙共有3組，延伸長2～3 m，裂面新鮮，多起伏粗糙，閉合無充填，三大洞室均存在局部不利結(jié)構(gòu)面組合形成的塊體穩(wěn)定問題。地下廠房區(qū)實(shí)測最大主應(yīng)力σ1為16～32 MPa，方向大致為N60°～80°W，傾角為-20°～-54.98°，各測點(diǎn)主應(yīng)力差相對(duì)較大，最大值達(dá)24.64 MPa，可能對(duì)洞室群穩(wěn)定產(chǎn)生不良影響。

廠區(qū)各洞室?guī)r體總體較完整，成洞條件較好，開挖初期巖體多嵌合緊密，開挖面總體成型良好，未曾發(fā)生過較大規(guī)模的失穩(wěn)現(xiàn)象，僅在個(gè)別地段圍巖發(fā)生了局部破壞，如洞室群開挖過程中普遍存在的不利結(jié)構(gòu)面組合導(dǎo)致塊體失穩(wěn)，出現(xiàn)巖體掉塊、滑塌現(xiàn)象，壓力管道下平段、母線洞(順河向)靠近廠房邊墻部位巖體出現(xiàn)環(huán)向卸荷拉裂現(xiàn)象等。但是，位移監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：長河壩水電站地下廠房圍巖變形量偏大，大于30 mm的測點(diǎn)占比超過典型的高地應(yīng)力地下廠房——錦屏一級(jí)水電站地下廠房[1]。筆者從聲波測試資料、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及廠區(qū)結(jié)構(gòu)面特征等方面出發(fā)，對(duì)長河壩水電站地下廠房圍巖變形破壞特征進(jìn)行了綜合分析，以探求長河壩水電站地下廠房圍巖變形量大的根本原因。

2長河壩水電站地下廠房圍巖變形破壞特征分析

長河壩水電站地下廠房圍巖完整性總體較好，除結(jié)構(gòu)面組合形成的小塊體塌落掉塊外，開挖期圍巖破壞現(xiàn)象不顯著，主要表現(xiàn)為片幫剝落、卸荷松弛、時(shí)效拉裂松弛等。

片幫剝落主要由某一方向應(yīng)力集中引起廠房洞室內(nèi)片幫剝落，無明顯集中現(xiàn)象，在廠房邊頂拱及拱座附近、排水廊道、壓力管道下平段及尾水管等工程部位均有出現(xiàn)，片幫一般伴隨開挖發(fā)生，或在開挖后滯后數(shù)小時(shí)出現(xiàn)，片幫厚度一般為10～30 cm，既使在初期支護(hù)后仍出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。圖1為廠房下游拱座圍巖片幫引起的混凝土噴層開裂。

卸荷松弛主要集中在洞室空間交叉部位，如母線洞與廠房邊墻交叉部位、進(jìn)場交通洞與廠房邊墻交叉部位、尾水管與廠房邊墻交叉部位等均出現(xiàn)不同程度的變形破壞，支護(hù)后變形趨于收斂。

由于廠房下挖，廠房邊墻由三向受壓應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向受壓應(yīng)力狀態(tài)，即廣義的拉伸狀態(tài)，而巖體的抗拉強(qiáng)度不高，因此，在廠房繼續(xù)下挖過程中、甚至在支護(hù)后一段時(shí)間內(nèi)仍普遍存在時(shí)效拉裂松弛破壞，形成大量的裂縫，這些裂縫可以在母線洞、壓力管道等洞室軸線方向與廠房邊墻垂直的洞室中觀察到。例如母線洞2012年3月開挖后進(jìn)行地質(zhì)編錄時(shí)發(fā)現(xiàn)，除近廠房下游邊墻段發(fā)育少量卸荷裂隙外，洞室?guī)r體總體完整性較好；但在2013年5月現(xiàn)場調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)母線洞內(nèi)出現(xiàn)了多條環(huán)向裂縫，發(fā)育范圍距廠房或主變室邊墻一般為6～8 m，最大距離約12 m，裂縫一般平直、近直立、貫通性好，總體上走向與廠房、主變室邊墻近平行，張開3～5 mm，最寬約8 mm，無錯(cuò)動(dòng)、錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，顯現(xiàn)出明顯的張性特征(圖2)。據(jù)分析，裂縫的產(chǎn)生應(yīng)是圍巖在高地應(yīng)力作用下隨時(shí)間逐漸產(chǎn)生的張裂破壞。

圖1　廠房下游拱座廠橫0+120～0+135樁號(hào)段圍巖片幫引起的混凝土噴層開裂圖

圖2　母線洞內(nèi)隨時(shí)間推移出現(xiàn)的環(huán)向裂縫示意圖

3長河壩水電站與錦屏一級(jí)水電站地下廠房圍巖變形破壞特征對(duì)比分析

筆者對(duì)長河壩水電站和錦屏一級(jí)水電站地下廠房圍巖變形量級(jí)分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。由表1可見：長河壩水電站地下廠房圍巖大于30 mm的變形量占比為41.2%，錦屏一級(jí)水電站為20.2%，表明長河壩水電站地下廠房圍巖整體變形量大于錦屏一級(jí)水電站。

筆者在文中定義完整性系數(shù)Kv<0.55(較破碎)為強(qiáng)松弛區(qū)[2]，表2和表3分別為長河壩水電站地下廠房3#機(jī)組段和錦屏一級(jí)水電站地下廠房4#機(jī)組段聲波檢測成果，表2中CF1507-3S 的含義為：CF代表廠房，1507代表聲波孔孔口高程，3代表3#機(jī)組段，S代表上游邊墻，X代表下游邊墻；表3中CF1670+080X 的含義為：CF代表廠房，1670代表聲波孔孔口高程，0+80代表聲波孔孔口樁號(hào)，S代表上游邊墻，X代表下游邊墻。由表2可以看出：長河壩水電站地下廠房邊墻的強(qiáng)松弛區(qū)僅在局部較深，最大深度為7.2 m，平均深度僅為3.74 m，而錦屏一級(jí)水電站地下廠房邊墻的強(qiáng)松弛區(qū)在1 665 m高程(巖錨梁高程)以下普遍較深，最大深度為15 m，平均深度也達(dá)到8.325 m，強(qiáng)松弛深度明顯大于長河壩水電站地下廠房。

從洞周位移變形量級(jí)分布及強(qiáng)松弛區(qū)深度的對(duì)比可以看出：長河壩水電站地下廠房與錦屏一級(jí)水電站地下廠房圍巖的變形破壞規(guī)律不同，變形破壞機(jī)理也不同：長河壩水電站地下廠房是高地應(yīng)力下結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖的劣化作用被加劇，從而導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)淺層松弛程度大、變形量大的現(xiàn)象，屬于結(jié)構(gòu)面-應(yīng)力復(fù)合控制型變形破壞模式；錦屏一級(jí)水電站則表現(xiàn)為高～極高地應(yīng)力下洞周巖體的時(shí)效性松弛破壞[3]，與巖體結(jié)構(gòu)面的相關(guān)性不明顯，屬于應(yīng)力控制型破壞模式。

4對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)

高地應(yīng)力下的結(jié)構(gòu)面-應(yīng)力復(fù)合控制型破壞模式一般出現(xiàn)在巖石強(qiáng)度應(yīng)力比在3～6范圍內(nèi)的大型地下洞室中，應(yīng)力集中部位局部會(huì)出現(xiàn)混凝土噴層破壞現(xiàn)象但不突出，錨索超限現(xiàn)象不突出，說明洞室圍巖對(duì)深層支護(hù)的要求不高，控制洞周淺層結(jié)構(gòu)面張開是其主要的支護(hù)目標(biāo)，因此，洞室開挖后應(yīng)盡快掛網(wǎng)噴混凝土并采用間排距較小的錨桿進(jìn)行洞周松弛區(qū)支護(hù)是較為有效的支護(hù)方式。長河壩水電站地下廠房邊墻的基本支護(hù)參數(shù)為：掛網(wǎng)噴C25混凝土，厚15 cm，Φ32、L=9 m/Φ28、L=6 m普通砂漿錨桿，間排距1.5 m×1.5 m，上游邊墻布置6排1 800 kN、L=20 m/1 500 kN、L=15 m的預(yù)應(yīng)力錨索，間排距為5 m×4.5 m，下游邊墻布置7排同規(guī)格預(yù)應(yīng)力錨索。從廠房圍巖的變形破壞現(xiàn)狀看，該支護(hù)參數(shù)能滿足圍巖穩(wěn)定的要求；若想降低洞周松弛區(qū)內(nèi)巖體松弛程度，提高洞周巖體的完整性，開挖后宜盡可能快的完成掛網(wǎng)噴混凝土和錨桿施工，并且在高邊墻中部可以適當(dāng)減小錨桿的間排距。

表1　長河壩水電站與錦屏一級(jí)水電站地下廠房變形量級(jí)分布統(tǒng)計(jì)表

表2　長河壩水電站廠房3#機(jī)組段聲波檢測成果表

表3　錦屏一級(jí)水電站廠房4#機(jī)組段聲波

5結(jié)語

長河壩水電站地下廠區(qū)實(shí)測地應(yīng)力值超過30 MPa，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為3.75～7.5，屬于高地應(yīng)力區(qū)，地下廠房圍巖完整性總體較好。在開挖施工期間除結(jié)構(gòu)面組合形成的小塊體塌落掉塊外，圍巖破壞主要表現(xiàn)為片幫剝落、卸荷松弛、時(shí)效拉裂松弛等。監(jiān)測資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：長河壩水電站地下廠房實(shí)測變形量值大于典型的高地應(yīng)力地下廠房——錦屏一級(jí)水電站地下廠房的變形量，但長河壩水電站地下廠區(qū)地應(yīng)力水平低于錦屏一級(jí)水電站廠區(qū)，巖體質(zhì)量優(yōu)于錦屏一級(jí)水電站廠區(qū)。筆者從聲波測試資料、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及廠區(qū)結(jié)構(gòu)面特征等方面對(duì)長河壩水電站地下廠房圍巖變形破壞特征進(jìn)行了綜合分析，認(rèn)識(shí)到長河壩水電站地下廠房圍巖變形量大的根本原因在于高地應(yīng)力下結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖的劣化作用被加劇，從而導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)淺層松弛程度大、變形量大的現(xiàn)象，屬于結(jié)構(gòu)面-應(yīng)力復(fù)合型變形破壞模式。針對(duì)這種變形破壞模式，筆者認(rèn)為宜采用淺層強(qiáng)噴錨支護(hù)的方式應(yīng)對(duì)，而大噸位、長系統(tǒng)錨索的支護(hù)方式反而不必要。在實(shí)際工程中，長河壩水電站地下廠房采用的支護(hù)方式基本符合這種理念，若希望進(jìn)一步提高洞周巖體的完整性，可將高邊墻普通砂漿錨桿的間排距適當(dāng)減小，并且在洞室開挖后應(yīng)盡可能快的施工掛網(wǎng)噴混凝土和錨桿，這一結(jié)論也為其他類似工程的支護(hù)設(shè)計(jì)提供了可供借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏進(jìn)兵，鄧建輝，王俤剴，等. 錦屏一級(jí)水電站地下廠房圍巖變形與破壞特征分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010,29(6)：1 198-1 205.

[2]GB 50287-2008，水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[3]李仲奎，周鐘，湯雪峰，等. 錦屏一級(jí)水電站地下廠房洞室群穩(wěn)定性分析與思考[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009,28(11)：2 167-2 175.

程麗娟(1984-)，女，四川仁壽人，高級(jí)工程師，博士，從事地下工程、巖土工程等方面的設(shè)計(jì)和科研工作；

譚可奇(1980-)，男，陜西石泉人，副處長兼設(shè)計(jì)副總工程師，高級(jí)工程師，碩士，從事水電水利工程勘測設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理及科研工作；

張志軍(1987-)，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，工程師，碩士，從事地下工程、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、巖土工程等方面的設(shè)計(jì)和研究工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

Study on Composite Deformation Failure Characteristics of Surrounding Rocks in Underground Powerhouse at Changheba Hydropower Station

CHENG LijuanTAN KeqiZHANG Zhijun

(PowerChina Chengdu Engineering Limited , Chengdu , 610072 , China)

Abstract:Changheba hydropower station is located in high stress area with measured maximum in-situ stress more than 30 MPa and rock strength-stress ratio 3.75-7.5 in underground powerhouse area . Statistical results of monitoring data show that the measured deformation value of underground powerhouse at Changheba hydropower station is higher than that of underground powerhouse at Jinping I hydropower station which belongs to typical high in-situ stress underground powerhouse. However , in-situ stress level in underground powerhouse area at Changgeba hydropower station is lower than that at Jinping I hydropower station , rock quality is better than that in powerhouse area at Jinping I hydropower station. In view of this abnormal phenomenon , a comprehensive analysis on composite deformation failure characteristics of surrounding rocks in underground powerhouse at Changheba hydropower station is performed in aspects of acoustic test data , deformation monitoring data and discontinuity in powerhouse area . It is found that large deformation of surrounding rocks in underground powerhouse at Changheba hydropower station is mainly caused by aggravated discontinuity deterioration effect on surrounding rocks, resulting in large shallow relaxation degree and large deformation in surrounding rocks , which is classified as discontinuity and stress composite deformation failure mode. Based on analysis results , proper support design for underground powerhouse at Changheba hydropower station is evaluated in this paper.

Key words：high in-situ stress ; underground powerhouse ; relaxed zone ; deformation failure

作者簡介:

收稿日期:2015-11-05

文章編號(hào):1001-2184(2016)01-0029-03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV7；TV222；TV221