某水電站軟巖試驗洞圍巖變形監測及規律分析

鄭 濤

(浙江華東測繪與工程安全技術有限公司,浙江 杭州 310014)

0 引言

某水電站位于四川省丹巴縣境內的大渡河干流,電站裝機容量1 160 MW,廠壩之間采用長約17.4 km 的2 條長引水隧洞連接,隧洞直徑約14～16 m,隧洞軸線走向約N10～20°W,洞室垂直埋深一般為500～800 m,最大埋深約1 200 m。引水建筑物擬布置在大渡河左岸山體中,其中調壓室和壓力管道洞段圍巖主要由石英云母片巖組成,夾云母石英片巖和變粒巖,以及石英脈、少量偉晶巖脈,部分變粒巖條帶及角閃巖脈發育,局部發育方解石脈,圍巖強度變低,為典型的軟巖區域。石英云母片巖具有較強的非線性蠕變特征,并且應力水平高于某值時會有加速蠕變現象,此外,由于歷史上受強烈構造擠壓的地質作用,石英云母片巖片理面仍具有致密性、緊密膠結等特性,呈現出“似塊狀”結構。同時,石英云母片巖還具有明顯的各向異性特征。因此,研究以石英云母片巖為主的地下洞室圍巖變形規律,對圍巖支護設計、建設期開挖防護措施選擇等具有指導意義。為此,利用該水電站CPD1 地質勘探洞,在軟巖分布區域開挖了1 個斷面尺寸為8 m×8 m 的試驗洞,試驗洞起始樁號為K1+745 m,終點樁號為K1+781 m,洞長共36 m,其中擴挖段8 m,直線段28 m,試驗洞斷面采用城門洞型布置,試驗洞軸線方向為N8°E。

1 軟巖試驗洞監測布置

為研究軟巖變形規律,取得模擬試驗洞開挖全過程的觀測資料,在試驗洞左邊墻側平行布置1 條觀測支洞預埋觀測儀器,主要用于觀測試驗洞左側邊墻水平向變形。試驗洞內共布置3 個監測斷面(A-A、B-B、C-C),監測斷面的樁號分別為：K1+759.00 m、K1+762.00 m、K1+765.00 m,每個監測斷面在試驗洞的頂拱和左右邊墻中部各布置1 套多點位移計,其中左邊墻的多點位移計采用從觀測支洞預埋的方式以監測試驗洞開挖全過程的圍巖變形情況,頂拱和右邊墻的多點位移計則采用即埋式。模擬試驗洞及觀測支洞的平面布置以及監測斷面具體布置見圖1。

圖1 試驗洞監測平面布置圖Fig.1 Monitoring layout plan of test tunnel

(1) 預埋式多點位移計：從觀測支洞向試驗洞近水平鉆孔安裝,以了解試驗洞開挖全過程的圍巖深部變形情況。共布置有3 套六點式位移計,每套位移計各錨固點與試驗洞左側邊墻的距離分別為0.3 m、0.8 m、2.0 m、4.0 m、6.0 m、12.0 m。但在試驗洞開挖過程中因超挖及爆破控制等原因,使得預埋多點位移計各測點位置與的設計有一定的偏差,根據實際測量和計算,預埋多點位移計各測點距試驗洞左側邊墻的實際距離見表1。

表1 預埋多點位移計各錨頭距試驗洞左側邊墻的距離(單位：m)Tab.1 The distance between each anchor head of the embedded multi-point displacement meter and the left side wall of the test hole (unit：m)

(2) 即埋式多點位移計：當試驗洞開挖到監測斷面樁號時,在試驗洞拱頂及右側邊墻各布置1 套四點式位移計,每套位移計各錨頭與試驗洞洞壁的距離分別為：0.8 m、2.0 m、4.0 m、6.0 m。

2 試驗洞施工時間節點

試驗洞開挖是以先開挖導洞,再擴挖成型的方式進行的,具體施工節點詳見表2。

表2 試驗洞開挖施工節點時間Tab.2 The test tunnel excavation and construction node time

3 圍巖變形監測成果及分析

3.1 預埋多點位移計監測成果及分析

由于文章篇幅有限,該文主要以B-B 斷面的監測數據作為分析,試驗洞在該斷面左側邊墻預埋的1 套六點式多點位移計B-1 監測到了試驗洞從開挖到結束的全過程圍巖變形情況,較全面的反映了圍巖變形的空間和時間上的分布關系,其變形與時間過程線見圖2。從過程線圖可見：

圖2 左邊墻預埋多點位移計B-1 測值過程線Fig.2 Process line of B-1 measurement value of embedded multi-point displacement meter on the left wall

(1) 臨近監測斷面區域爆破開挖時圍巖變形急劇增大,停止開挖期間圍巖變形逐步趨于穩定。

(2) 試驗洞邊墻圍巖的蠕變比較明顯,如在2013 年4 月21 日至7 月31 日約100 天的停挖期間,邊墻淺部(表層) 圍巖仍有約10 mm 變形增量,圖3 給出了典型測點的變形速率過程線,可以看出在停挖初期圍巖變形速率較大,之后逐漸減小并趨于穩定;在約100 天的停挖期間其平均變形速率約0.1 mm/d。

圖3 典型測點變形速率過程線Fig.3 Deformation rate process line of typical measuring points

(3) 試驗洞左邊墻圍巖變形較大,最大變形達到約50 mm;圍巖變形影響深度較深,預埋多點位移計各測點沿洞壁的變形分布見圖4,由圖4可見,試驗洞開挖結束后距試驗洞邊墻4.6 m 測點變形約5 mm、6.6 m 測點變形約4 mm、7.8 m測點變形約3 mm,綜合來看邊墻圍巖的變形影響深度達到8 m 以上。

圖4 B-1 測點沿洞壁距離的變形分布曲線圖Fig.4 Deformation distribution curve of B-1 measuring point along the distance of the cave wall

3.2 即埋多點位移計監測成果及分析

試驗洞B-B 監測斷面右側邊墻及頂拱即埋的2 套四點式多點位移計的監測成果見圖5、圖6,從過程線圖可見：

圖5 頂拱即埋多點位移計B-2 測值過程線Fig.5 Process line of B-2 measurement value of top arch and buried multi-point displacement meter

圖6 右邊墻即埋多點位移計B-3 測值過程線Fig.6 The measured value process line of the buried multi-point displacement meter B-3 on the right wall

(1) 試驗洞右邊墻圍巖表面變形約10 mm,比左邊墻的圍巖變形小約40 mm,說明在即埋多點位移計安裝埋設前圍巖的大部分變形已被釋放,即埋多點位移計只捕捉到圍巖相對較小的部分位移。

(2) 試驗洞頂拱圍巖變形約為2～4 mm,遠小于邊墻的圍巖變形,說明洞室開挖形成后的拱效應對頂拱變形有一定的制約,頂拱部位主要出于受壓狀態。

(3) 右邊墻的圍巖變形影響深度范圍要大于頂拱的,其中右邊墻的變形影響深度在2 m 以上,而頂拱的變形影響深度約0.8 m。

(4) 綜合預埋多點位移計和即埋多點位移計的監測成果,繪制監測斷面在試驗洞K1+768～K1+786 洞段開挖期間典型圍巖變形增量過程線見圖7,由圖可見,試驗洞圍巖變形總體上左邊墻大于右邊墻、右邊墻大于頂拱。

圖7 B-1 斷面不同部位表面變形增量對比Fig.7 Comparison of surface deformation increments at different parts of section B-1

3.3 軟巖試驗洞與玄武巖試驗洞圍巖變形對比分析

軟巖試驗洞與某水電站玄武巖試驗洞的布置形式基本一致,均布置有觀測支洞預埋多點位移計觀測邊墻圍巖在開挖期間的全過程變形情況,其中玄武巖試驗洞圍巖為典型的柱狀節理玄武巖,巖性較硬;軟巖試驗洞圍巖為典型的二云片巖,巖性較軟。將軟巖試驗洞與玄武巖試驗洞的監測成果進行對比,見表3。

表3 軟巖試驗洞與玄武巖試驗洞監測成果對比Tab.3 Comparison of monitoring results between the soft rock test cave and the basalt test cave

由表3 可見,軟巖試驗洞的尺寸較玄武巖試驗洞稍小,但無論是從邊墻變形、頂拱變形、變形影響深度、圍巖松弛厚度還是圍巖蠕變增量,均要明顯大于玄武巖試驗洞,說明軟巖具有變形量值大、變形影響深度大、圍巖松弛厚度深以及蠕變明顯等特點。

4 結語

根據監測成果分析,某水電站軟巖試驗洞圍巖的變形規律及圍巖支護建議如下：

(1) 圍巖變形量值大,左邊墻最大變形已達到50 mm 以上;

(2) 圍巖變形影響深度范圍大,邊墻圍巖最大變形影響深度達到8 m 以上,而頂拱圍巖的最大變形影響深度約0.8 m;

(3) 圍巖的蠕動變形較明顯,在約100 天的停挖期間,圍巖最大變形增量達10 mm,平均變形增量速率約0.1 mm/d;

(4) 邊墻的圍巖變形明顯大于頂拱的圍巖變形,表明洞室開挖形成后邊墻圍巖;

(5) 針對軟巖可采用預留剛隙柔層支護技術,在柔性噴層和鋼架之間預留一定量的空隙,在剛隙柔層的控制下,圍巖有限制的充分變形,從而形成比較均勻的外部塑性工作狀態區和內部彈性工作狀態區,以達到把高應力能量轉化為變形、高應力轉移到圍巖內部的目的,待柔性噴層與鋼架接觸時,再噴射混凝土永久支護。