官地水電站尾水調壓室頂拱噴層開裂分析及處理

黃克戩

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，成都 630072)

官地水電站尾水調壓室頂拱噴層開裂分析及處理

黃克戩

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，成都 630072)

文章從施工情況、不利地質結構面、高地應力等因素綜合分析官地尾水調壓室頂拱噴層裂縫的成因，認為不利地質結構面是其中主要的作用因素，使淺層部位圍巖應力、變形調整，從而導致頂拱噴層開裂。根據對原因的分析采取控制對策，在已有支護不適合調控圍巖力學響應的條件下，增加預應力支護措施，以積極適應圍巖的力學行為，有效防止有害變形，最終形成穩定的圍巖壓力拱。

噴層開裂；緩傾角結構面；圍巖穩定；水電站；尾調室

1 項目概況

官地水電站位于雅礱江下游，是二灘水電站的上游銜接梯級電站，總裝機容量2400MW。右岸地下廠房洞室主要由引水洞、主廠房、主變室、尾水調壓室、尾水洞等組成。洞室群規模大，廠房三大洞室平行布置，洞室縱軸線方向N5°E。主廠房與主變室之間巖墻厚度49.2m，主變室與尾調室間巖墻厚度為48.8m。尾調室采用長條型布置，設兩個條型調壓室，上部開挖跨度20.00m，下部開挖跨度21.50m，洞高76.00m，全長205m，兩室之間設一厚度為17m的巖柱隔墻。

2 工程地質情況

2.1 廠區工程地質情況

官地水電站樞紐區為高山峽谷地形，區內出露地層主要為二疊系上統玄武巖組(P2β)，下游部分為二疊系下統平川組(P1P)灰巖及砂巖。根據探洞揭示，地下廠區位于斜坡應力集中帶以內，主要為新鮮的P2β15-1層斑狀玄武巖和P2β15-2角礫集塊熔巖。區內無大的斷層或軟弱結構面，錯動帶雖比較發育，但規模較小。洞室圍巖整體完整性較好，以次塊-塊狀結構為主，局部為鑲嵌或碎裂結構。

雨季地下水較豐富，部分洞室頂拱多處滴水，其余洞室濕潤，局部浸、滴水。地下廠房區域最大主應力量級25.0-35.17MPa， N27.3°- 53°W，平均值N35.4W°，與廠房軸線平均值的夾角40.4°。

2.2 尾水調壓室工程地質情況

尾水調壓室圍巖巖性主要為P2β15-1輝斑玄武巖，為灰綠色，巖石堅硬。巖體以塊狀、次塊狀-塊裂狀結構為主，局部裂隙帶為鑲嵌-碎裂結構。受錯動帶影響，局部圍巖呈弱上風化。

根據開挖揭示，頂拱圍巖部分裂隙及錯動帶發育，錯動帶出露范圍巖完整性較差，易發生巖體掉塊。其中緩傾角錯動帶fxt01(N20°-30°E/SE∠10°-25°)與洞軸線小角度相交，延伸長大于100m，錯動帶寬度10cm-50cm，變化大，起伏、粗造，其組成物以壓碎巖、糜棱角礫巖、石英為主，局部分布一層厚度約1cm-20cm次生泥，屬泥夾巖屑型，水平錯距25cm-30cm。該錯動帶延伸長，規模大，可與其它節理裂隙在洞室不同洞段組合形成不利組合塊體，對洞室頂拱及邊墻穩定影響大。尾水調壓室頂拱圍巖類別以Ⅲ類為主，次之為Ⅱ類，邊墻部位因錯動帶fxt01出露，巖體極其破碎，其影響帶條帶起伏較大，寬度50cm-150cm，最寬可達200cm，該影響帶單獨劃分為Ⅳ類巖體。

3 裂縫描述

尾調室開挖過程中頂拱部位噴層出現了多次裂縫，第一次裂縫位于樁號0+080m-0+095m上游拱肩中導洞部位，裂縫呈波狀，與洞軸線基本平行；第二次裂縫位于樁號0+095m-0+135m中導洞頂拱偏下游側，呈波狀平行于洞軸線，裂縫寬約3-5cm，同時出現一條橫向裂縫，基本接近第一次裂縫；第三次裂縫位于端墻附近，樁號0+147m-0+165m，裂縫橫穿頂拱，長度約25m，縫寬1cm-3cm，裂縫基本沿錯動帶(fxt05)展布。第四次裂縫位于廠橫0-010m-0+040m段上游頂拱，第Ⅱ層開挖時出現，長約1-3m靠近中導洞邊附近，與洞軸線近于平行的細小裂縫，經過一段時間的發展，裂縫條數、寬度、范圍有所增加。如圖1所示。

圖1 尾調室頂拱噴層裂縫平面展開圖

從裂縫形態上來看，既有張拉裂縫，又有剪切裂縫，或者兩者復合型。而這種裂縫形態多樣性的同時呈現，表示尾調室頂拱噴層開裂機制的復雜性。

4 裂縫成因分析

4.1 施工因素

裂縫開始出現的時段與開裂區施工開挖基本相對應，第一次裂縫位于第一層上游側擴挖到樁號0+080m-0+095m區域，開挖爆破的強振動導致圍巖強烈的擾動，樁號0+095m監測斷面顯示孔口位移顯著增加，量值達到15mm左右，位移速率增加到0.36mm/d。

第二次裂縫發生在第二層下臥即中間拉槽爆破的時期，樁號0+095m監測斷面孔口位移顯著增加，量值達到27mm左右，位移速率增加到0.3mm/d，樁號0+090監測斷面的頂拱錨桿應力計持續增加，量值約300MPa，接近限值，意味著支護已無法承受這種圍巖擾動。從開挖形成的斷面來看，兩側邊墻的保護層超挖大，同時爆破的巖體塊度過大，顯示開挖過程局部中藥量較大，受爆破的強振動影響，結構面產生滑移變形或頂拱淺表層破損區域圍巖繼續下沉變形，進而引起噴層開裂。

第三次頂拱噴層開裂出現在端墻附近上游側開挖期間，之后尾調室交通洞連通段從南端墻進入尾調室，頂拱噴層裂縫持續擴展，從頂拱上游側延伸到下游側。

第四次噴層開裂發生在第二層下臥期間，該部位巖體穩定受控于頂拱緩傾角錯動帶(fxt01)，開挖期錯動帶在頂拱部分垮塌，其拱角至拱肩未垮塌部分，有應力調整變形現象，加之下層開挖放炮的影響，致使混凝土出現裂縫，裂縫基本沿錯動帶(fxt01)出露線展布。

應該指出的是，實際施加支護的強度和時機是否能夠滿足或適應頂拱圍巖變形也同樣影響著噴層開裂與否。噴層本身的質量，噴層與巖面是否存在脫空等，均對噴層有一定的不利影響[1]。

4.2 工程地質因素

開挖揭示尾調室廠橫0+80m-0+165m頂拱及第二層存在距頂拱臨空面較近的緩傾角錯動帶、裂隙以及一系列陡傾角的節理裂隙，塊體分析表明，該段頂拱存在潛在不穩定的小型塊體，但未發現大的不穩定塊體。從施工現場開挖揭示可以明顯看出，下游側錯動帶及裂隙較上游側發育。如圖2所示。

圖2 尾調室廠橫0+114地質剖面圖

在靠近端墻部位，第三次開裂正處于頂拱部位fxt05緩傾角錯動帶的影響區。從局部位置圍巖類別來看，該段圍巖以III為主，次之II類；而產狀NW/SW裂隙在下游側拱肩及邊墻與產狀NE/SE錯動帶、裂隙相互擠壓呈波狀起伏，厚度為50cm-200cm的破碎影響帶，條帶范圍為下游側廠橫0+30m-0+124m，高程1244.6m-1241.0m，圍巖類別為IV類，開挖過程中已大部分揭露。在尾調室廠橫0+030m-0+124m洞段的上、下游拱座和邊墻部位的圍巖類別是有差異的。

廠橫0-010m-0+040m段的圍巖類別Ⅲ類為主，該部位頂拱上游主要地質結構面包括：①錯動帶fxt01、fxt02、fxt03、fxt07、fxt10；②長大發育的高傾角裂隙 N50°-70°W/NE70°-85°以及短小不發育的N10°W/SW80° -85°和NE/W40°-45°結構面(圖3)。經塊體分析，頂拱圍巖未發現大的不穩定塊體，但可能存在被fxt01等錯動帶和裂隙相互切割形成小型塊體，在爆破震動和地應力聯合作用下的產生剪切拉裂進而引起噴層開裂。

圖3 尾調室頂拱主要結構面

4.3 地應力因素

地下廠房區域的地應力最大主應力的量值約為25MPa-35MPa，最大主應力方向總體上在NW-NNW之間，與洞室群軸線方向呈25°-45°夾角，屬于高地應力。實測和回歸地應力成果顯示，區域內以水平構造應力為主，在此類初始地應力分布條件下的開挖引起圍巖應力調整，在不同程度上也造成了尾調室頂拱噴層開裂[2]。

5 裂縫成因分析

5.1 洞室頂拱巖拱形成機制

相關研究表明，地下洞室承載拱形成的過程中，荷載從頂拱傳到拱座，再由拱座傳到邊墻，形成對洞室周邊巖石的擠壓，正是圍巖壓力的這種傳遞形成了承載拱結構，它維持著頂拱圍巖的穩定。另外，拱結構的穩定性一定程度上由拱的形狀保證，因此拱的設計和開挖成拱非常重要。但若拱頂圍巖存在塊體松動時，缺乏拱的荷載傳遞途徑，這種情況下采用錨桿或錨索加固巖體，使之形成一個人工拱頂是必然的選擇。如圖4所示。

圖4 巖拱形成的傳力機制示意圖

5.2 成因分析

從圍巖條件來看，上、下游邊墻的圍巖條件相差較大，其中下游側邊墻圍巖較差，在荷載傳遞的過程中，導致頂拱上、下游兩側變形不協調。從支護施工順序來看，中導洞開挖噴錨支護與下游側擴挖噴錨支護存在時間上的先后，它們之間的接觸部位為形成了噴層的薄弱環節。

而從監測數據上來看，在頂拱圍巖的表層松弛較大，同時下臥施工爆破振動，導致淺表層巖體沿結構面的變形，現場主要表現為下游拱肩部位的變形和錨桿呈同步增大且總量值較大的現象。

另外，通過數值計算發現，拱肩部位壓應力水平上、下游相差較大，下游明顯大于上游，這種不均勻的壓應力狀態，對承載拱壓力荷載傳遞不利，對頂拱穩定產生不利影響(圖5(a))。頂拱部位最小主應力顯示松弛范圍較大(圖5(b)中黑色點劃線)，最大約7m左右，而在頂拱臨空面的部位局部出現拉應力。從頂部部位塑性區分布來看(圖6)，錯動帶距頂拱臨空面約3m左右時(圖6(a))，頂拱范圍存在張拉和拉剪破壞或者剪切破壞，與頂拱噴層裂縫開裂形態相似；錯動帶位于頂拱或拱肩時(圖6(b))，除錯動帶產生了較大的塑性區外，沿錯動帶的滑移變形也較大。綜上初步分析，上述因素的共同作用可能構成了頂拱噴層開裂的成因。

6 裂縫控制措施

從上面的成因分析可知，第一次頂拱噴層開裂是由于開挖爆破引起應力重新調整，進而導致圍巖變形不協調，且普通錨桿支護已無法調控這種力學行為，需施加合理噸位的預應力支護措施。

第二次頂拱噴層開裂與下臥開挖爆破下邊墻的破碎巖體和頂拱部位的圍巖變形有關，而錨桿應力計監測顯示，下游拱肩淺表層部位的錨桿已超標，位移整體較大且速率較快，初步判斷淺表層的普通錨桿的支護已不能合理適應圍巖的力學響應。所以，在導致圍巖較大變形和噴層開裂的關鍵部位施加合理的加強支護措施勢在必行。所以在下游邊墻巖體破碎部位，加強支護，在頂拱部位施加合理噸位的預應力支護措施，與上游側圍巖和支護體系的力學響應相協調，一起構成合理的巖拱結構，適應下臥開挖引起的應力場再次的調整，進而維護頂拱圍巖和支護體系的穩定。

(a)最大主應力

(b)最小主應力

(a)緩傾角錯動帶在頂拱時

(b)緩傾角錯動帶在拱肩時

第三次頂拱噴層開裂主要是爆破下臥開挖影響下，頂拱緩傾角結構面滑移變形所致，在普通支護無法適應這種變形而裂縫持續發展，長度、深度和縫寬增加的情況下，增加預應力支護措施是必需的，所以同樣建議施加合理噸位的預應力支護措施，以控制變形的進一步發展，適應圍巖的力學響應過程，以便形成穩定的巖拱結構。

第四次噴層開裂主要是第二層開挖下后，在fxt01下盤存在明顯的剪切拉裂破壞形式，對頂拱圍巖穩定不利。實際開挖中，尾調室中導洞頂拱fxt01下盤已經塌落，破壞了頂拱的完整弧形形狀進而導致圍巖傳力機制被破壞，同時fxt01下盤在拱角-拱肩形成近似“懸吊”塊體，在地應力作用下可能產生非均勻變形導致噴層開裂。

從上述分析可以看出，在復雜的地質和應力環境以及施工等諸多因素影響下，對尾調室頂拱噴層開裂所采取的控制對策，均考慮了在現有支護無法調控圍巖力學響應的條件下，增加預應力支護措施，以適應圍巖的力學行為，防止有害變形，最終形成穩定的巖拱結構。

7 結 語

通過數值計算、理論分析以及監測、物探和地質信息分析等多角度分析，在施工因素、不利地質結構面以及較高的地應力水平等綜合作用下，其中不利地質結構面是其中的主要作用因素，巖石開挖爆破引起的強振動作為主要誘因，使淺部圍巖應力、變形調整導致頂拱噴層開裂。在此基礎上所采取的控制對策，是在已有支護不適合調控圍巖力學響應的條件下，增加預應力支護措施，以積極適應圍巖的力學行為，有效防止有害變形，最終形成穩定的圍巖壓力拱。這對于中等到高地應力條件下的大跨度高邊墻地下洞室來說，維持其施工安全和長期穩定是一種適合的選擇。

[1]張勇，肖平西，丁秀麗，等.高地應力條件下地下廠房董事群圍巖變形破壞特征及對策研究[J]巖石力學與工程學報，2012,31(02)：11-12.

[2]鄔愛清，徐 平，徐春敏，等.三峽工程地下廠房圍巖穩定性研究[J].巖石力學與工程學報，2001，20(05)：66.

1007-7596(2017)06-0125-04

2017-05-21

黃克戩(1978-)，男，湖北武漢人，高級工程師，從事水電工程設計工作。

TV732

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