長河壩水電站地下廠房圍巖變形特征

劉 永 波,　左 雷 高,　閔 勇 章

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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長河壩水電站地下廠房圍巖變形特征

劉 永 波,左 雷 高,閔 勇 章

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：以施工期變形監測資料為基礎，結合地質條件、物探、監測和施工資料，對長河壩水電站地下廠房的圍巖變形破壞特征進行了分析。分析結果表明：高應力區大跨度地下洞室群洞室立體交叉，作為一種非連續介質，巖體在施工過程中廠房頂拱累計變形總量小，變形深度大，每次開挖爆破震動使得變形速率呈階梯狀增大。廠房上下游邊墻巖錨梁部位累計變形總量相對較大，變形時間長，變形速率隨深度的增加逐漸減小；受爆破震動影響，變形曲線呈階段性上揚。主廠房與洞室平交段變形時間長，累計變形位移量大，其變形速率大、變形深度大與巖體結構面關系不大，變形大主要與地應力較高、交叉洞段開挖卸荷以及爆破開挖后應力重新調整等有關。根據變形特征，提出了一些施工建議。

關鍵詞：長河壩水電站；地下廠房；變形速率；變形總量；開挖卸荷

長河壩水電站位于四川省康定縣境內，屬青藏高原東南部川西北丘狀高原東南緣向四川盆地過渡地帶，周邊構造活動較強。長河壩水電站地下廠房布置于大渡河左岸，開挖過程中圍巖變形較復雜。近年來的研究成果多為采用數值模擬方法[1]，定性或半定量地對圍巖穩定性進行分析[2]，而對地下廠房整體變形情況分析的資料較少，尤其是在圍巖位移量級、施工開挖期間位移發展速率、變形深度、洞室易產生變形部位等方面。筆者對這方面做了一些探討。

1工程概況

長河壩水電站主廠房尺寸為228.8×30.8×73.35 m(長×寬×高)。巖錨梁以上跨度為30.8 m，以下為27.3 m。上游邊墻由4條壓力管道相連，下游邊墻與4條母線洞相連。主變室和尾水調壓室與廠房平行布置，主廠房與主變室的中心距離為68.45 m，主變室與尾水調壓室的中心距離為65.15 m。由4條尾水連接洞連接主廠房與尾調室，平行布置。

2基本地質條件

地下廠房區地表地形坡度為40°～45°，局部達55°～60°，坡面基巖裸露。廠區出露基巖主要為晉寧～澄江期(γ2(4))花崗巖。地表水入滲困難，補給水源有限，岸坡排泄條件較好，總體為地下水補給河水。

地下廠房區埋深較大，水平埋深約230～430 m，垂直埋深約285～480 m，其中水平埋深200～350 m處為中等應力區，350～450 m處最大主應力σ1量級為25.68～31.96 MPa，方向大致為N60°～80°W，傾角為-20°～-54.98°，屬高地應力區。廠房縱軸線方向為N82°W，近平行于最大主應力方向。據勘探平硐和工程籌建期部分地下洞室等開挖揭示：地下廠區無區域性斷層通過，巖體完整性好，主要結構面為次級小斷層、擠壓破碎帶和節理裂隙。地下廠房區地下水不發育，以滲水～滴水為主。

據開挖揭示及對廠區裂隙進行的統計得知：裂隙發育方向以NE向為主，次為NW向，少量近 EW向，主要發育J2、J1、J3等3組，次為J4、J8，局部零星發育J5、J9兩組。主要發育3條次級小斷層fc-19、fc-24、fcf-11，結構面發育特征如表1所示，詳細發育情況見圖1、2。廠區巖性為花崗巖(γ2⑷)，巖體微新～新鮮，裂隙較發育～發育，巖體結構以次塊狀結構為主，局部為鑲嵌結構，干燥、局部滲滴水，整體圍巖以Ⅲ類為主，次為Ⅱ類、少量為Ⅳ類。大部分結構面與廠房軸線呈大角度相交。

3物探檢測情況

根據廠房開挖揭示的地質條件、結合廠房結構布置，沿廠房軸線布置了6個聲波檢測斷面，根據可研階段物探資料，長河壩水電站廠區完整花崗巖的聲波速度取6 400 m/s。廠房1-1～6-6斷面1 476～1 507 m高程巖體低波速深度一般為1.2～3.6 m，局部低波速深度達到4.2～7.6 m，平均聲波速度為2 297～5 262 m/s，為較破碎～較完整巖體；平穩區巖體平均聲波速度為3 806～5 631 m/s，為完整性差～完整巖體。通過聲波檢測得知：頂拱巖體開挖松弛圈為1.2～3.6 m，3.6 m以外受開挖影響較小。

表1　廠區結構面發育統計表

廠房上游側邊墻壓力管道上部巖體松弛深度一般為2.8～4 m，平均聲波速度為2 788～3 156 m/s，為較破碎巖體；平穩區巖體平均聲波速度為4 953～5 736 m/s，為較完整～完整巖體。廠房下游側邊墻1#～2#母線洞上部巖體松弛深度一般為1.8～2.4 m，3#～4#母線洞上部巖體松弛深度一般為4.4～6 m，平均聲波速度為2 901～3 358 m/s，為較破碎巖體；平穩區巖體波速起伏較大，平均聲波速度為3 806～5 372 m/s，為較破碎～較完整巖體。

4施工情況和圍巖變形特征監測分析

4.1監測斷面布置情況

廠房主要布置有1-1、2-2、3-3、4-4、5-5 5個監測斷面，每個監測斷面布置8套多點位移計(其中3套延伸至排水廊道)，6套錨桿測力計。典型監測斷面布置見圖1，M 代表多點位移計，上標數字“4”表示為四點式，變形值的計算選取位于巖體最深點為不動點，變形值約定拉伸為正，壓縮為負。多點位移計的4 個測點由淺到深為 5，10，15，20 m(距開挖臨空面的距離)。由于儀器安裝埋設需要工作面，故只能反映儀器安裝埋設后的變形情況，而不能將整個開挖施工過程中的變形情況捕捉到。

4.2施工概況

圖1　監測典型斷面布置圖

圖2　分層開挖施工時間示意圖

主廠房施工采取自上而下分層分段的開挖方式，共分10層，第一層為頂拱先進行中導洞開挖，后進行邊拱擴挖，其余層為分層分段開挖方式，采用先預裂后光面爆破的開挖方式。自2011年10月開始，至2013年7月11日開挖結束，發電機層分機組段開挖。采取與廠房上下游邊墻交叉的母線洞和壓力管道先施工，后進行廠房邊墻下臥的施工程序，具體施工時間段見圖2。

5圍巖變形特征分析

5.1頂拱變形特征

圖3　2-2剖面(3#機組頂拱，高程1 510.8 m)M444測點變形時間過程線圖

5.2邊墻變形特征

廠房上下游邊墻巖錨梁部位巖體以次塊狀為主，圍巖類別以Ⅲ類為主，局部為Ⅱ類。各個監測斷面在巖錨梁部位分別布設了多點位移計，巖錨梁屬于第Ⅲ施工層，結合巖錨梁部位的多點位移計監測成果得知：位于4#機組下游邊墻巖錨梁部位的多點位移計M437截止至2013年12月累計位移為86.25 mm，變形趨于收斂；位于3#機組上游邊墻巖錨梁部位的多點位移計M449截止至2013年12月孔口累計位移量為51.43 mm，變形逐漸趨于收斂。巖錨梁其它部位的多點位移計實測位移值變化較小，在開挖施工Ⅳ層和Ⅴ層時，受開挖爆破影響，變形速率增大、上升，目前巖錨梁還未發現有較大的位移突變(圖4)。

圖4　1-1剖面(4#機組下游邊墻，巖錨梁高程1 495 m)M437各測點變形時間過程線圖

上下游邊墻在與平交洞室貫通時常出現較大變形，變形監測結果顯示：位于主廠房下游邊墻高程1 485 m(4#母線洞上方)處的多點位移計M440(孔口23 m)截止至2013年12月孔口累積位移為113.33 mm。位于廠房下游邊墻高程1 485 m(2#母線洞上方)的M463截止至2013年12月累積變形量為88.97 mm；位于廠房下游邊墻高程1 470 m(2#母線洞底板下方)的M464截止至2013年12月累積變形量為110.89 mm。下游邊墻母線洞段巖體結構以次塊狀為主，圍巖以Ⅲ類為主，其中4#母線洞外側受斷層fc-19影響為Ⅳ類圍巖，巖體呈鑲嵌～碎裂結構，主要發育J1、J4(近平行于邊墻陡傾裂隙)、J3組裂隙(圖5、6)。

圖5　1-1剖面M440測點變形時間過程線圖

圖6　3-3剖面M463測點變形時間過程線圖

母線洞下部約9 m主要屬于第Ⅴ施工層，上部3 m屬于第Ⅳ施工層，主廠房下游邊墻母線洞頂拱上方和母線洞底板下方的多點位移計變形主要發生在主廠房Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ層開挖過程中，受爆破開挖和自身巖體應力調整的影響，該部位變形持續增加，變形速率呈階梯狀上升，每層爆破結束后一段時間內，隨著支護的實施，變形速率逐漸趨于穩定狀態，下層爆破時變形速率又呈上升趨勢。變形深度大于多點位移長度(多點位移計長23 m)，在母線洞內距洞口(即下游邊墻)處20～30 m能看到環向裂縫，裂縫寬度為5～10 mm不等，多沿J4裂隙張開，即開挖后向洞室產生卸荷拉裂，為“張開位移”，大于巖體開挖松弛圈(松弛深度一般為4.4～6 m)，累計變形量較大，一般為88.97～113.33 mm，在交叉段處易產生掉塊和坍塌。2#、4#母線洞附近巖體稍松弛，受結構面組合影響形成不穩定塊體，施工過程中產生了掉塊和小型坍塌(塌腔高度為1～2 m)。變形時間長，從第Ⅳ層開挖開始變形加劇，直至第Ⅷ層開挖結束后，隨著支護的實施，變形曲線逐漸趨于收斂。2#母線洞平交廠房邊墻附近巖體為Ⅲ類，最大變形為110.89 mm，4#母線洞平交廠房邊墻附近巖體為Ⅳ類，最大變形為113.33 mm，兩部位變形差異不大，故變形與巖體類別和結構面關系不大。

同樣，上游邊墻與壓力管道平交段、1#壓力管道上方廠房邊墻曾出現過較大變形。壓力管道主要屬于第Ⅶ施工層，上部約3 m屬于第Ⅵ施工層，第Ⅵ層施工時間為20120915～20121026，該層爆破后，1#壓力管道0+626處于2012年9月16日出現垮塌，受其影響，高程1 474 m(1#壓力管道與廠房連接部位上方)的多點位移計M426孔口累計位移達到93.35 mm，變形深度為11 m，塌方引起的位移增量達到69.46 mm。隨著施工的進行(201301～201307)，變化速率為0.05 mm/d，隨著2013年8月主廠房開挖基本結束，變化速率為0.01 mm/d，變形逐漸趨于平緩。截止至2013年12月，該多點位移計孔口累計位移為125.8 mm。該部位巖體以次塊狀為主，主要發育J6、J4、J2三組裂隙，總體為Ⅲ類圍巖，受裂隙組合影響形成不穩定塊體，施工過程中多產生掉塊，多點位移計突變主要是受交叉洞室和爆破開挖以及自身巖體應力調整的影響。變形特點為變形速率呈階梯狀上升，每層爆破結束后一段時間，隨著支護的實施，變形速率逐漸趨于穩定，下層爆破施工時變形速率又呈上升趨勢。變形深度較大，約為11 m，大于開挖松弛圈深度(該部位巖體松弛深度一般為2.8～4 m)。變形時間長，從壓力管道層開挖開始，直至主廠房開挖基本結束，變形曲線趨于平緩，變形總量大(圖7)。

圖7　4-4剖面(1#機組上游邊墻高程1 474 m )M426測點變形時間過程線圖

6結語

長河壩水電站地下廠房為高應力區大跨度地下洞室群，洞室立體交叉，巖體以Ⅲ類為主，局部為Ⅱ類，少量為Ⅳ類，筆者對其圍巖變形破壞規律歸納如下：

(1)廠房頂拱累計變形總量小，為3.04～7.5 mm。頂供多點位移計變形的10 m曲線和孔口位置曲線重合，變形深度距頂拱20～30 m，變形擴展在爆破松弛圈以外。剛開挖后變形速率較大，隨著開挖后錨固措施的實施，變形速率逐漸減緩，最后趨于平緩、收斂。變形速率和變形量隨深度的增加逐漸減弱，每次開挖爆破震動使變形速率呈階梯狀增大。

(2)廠房上下游邊墻巖錨梁部位累計變形總量相對較大，為51.43～86.25 mm，主要是受應力重分布和開挖卸荷影響，開挖后巖錨梁部位應力集中度高，產生向臨空面的變形。變形時間長，剛開挖后變形速率較大，隨著支護的實施，變形速率逐漸變緩但并未收斂，直到邊墻開挖完成后變形曲線趨于平緩并逐漸收斂。變形速率隨深度的增加逐漸減小。受爆破震動影響，變形曲線呈階段性上揚，開挖爆破增加變形速率，隨著下臥施工，爆破對變形速率的影響越來越小。

(3)主廠房與洞室平交段變形時間長、變形速率加大是從交叉段層開挖開始，交叉段以下開挖速率逐漸減小但未收斂，直至廠房開挖爆破結束，累計變形位移量大，為88.97～125.8 mm。每次開挖爆破都會引起變形速率的加大，尤其是交叉段所在層開挖爆破引起的變形速率較大，達到3.35 mm/d，最大M426塌方引起的位移增量達到69.46 mm。變形深度較大，大于開挖后巖體松弛圈深度(2.8～6 m)，一般在距廠房邊墻11 m以內，最大如2#、4#母線洞距下游廠房邊墻30 m。變形量大、變形速率大、變形深度大與巖體結構面關系不大，交叉段廠房邊墻附近和平交段洞室巖體以Ⅲ類為主，局部為Ⅱ類。變形大主要與地應力較高、交叉洞段開挖卸荷以及爆破開挖后應力重新調整等有關。

7建議

在地下廠房施工過程中，頂拱對于一個大跨度、高邊墻的洞室來說是首先需要關注和重視的部位。廠房施工是否安全與頂拱關系密切，應加強頂拱巡視和監測并采取適宜的加強支護措施。巖錨梁是關乎廠房成敗的一個關鍵部位，在巖錨梁施工中應采取適宜的施工工藝和施工方法，以確保巖錨梁的形成并加強監測。對于洞室與廠房平交段，由于洞室空間立體交叉、應力調整，在開挖卸荷后應力重分布，局部出現應力集中，與洞室平交段附近的廠房邊墻變形較大，在平交洞室中局部會出現沿結構面的“張開位移”。在施工過程中，對其應重點加強巡視、監測并采取適宜的加強支護措施。

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劉永波(1981-),男，河南許昌人，工程師，學士，從事水電工程勘察技術工作；

左雷高(1981-)，男，河南信陽人，高級工程師，學士，從事水電工程結構設計及工程管理工作；

閔勇章(1981-)，男，湖北孝感人，高級工程師，學士，從事水電工程勘察技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

作者簡介:

收稿日期:2015-11-05

文章編號:1001-2184(2016)01-0049-05

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7；TV221