天花板水电站3#施工支洞围岩变形分析

于立宏

(北京勘测设计研究院 北京 100024)

1 工程概况

天花板水电站位于云南省昭通市境内金沙江一级支流牛栏江上,是牛栏江梯级水电站的第七级工程,为中型工程,碾压混凝土拱坝,最大坝高113m,水库正常蓄水位1071.0m,总库容0.7871×108m3,装机2台×90MW=180MW,引水隧洞长2522m,洞径8.2m。

3#施工支洞位于牛栏江右岸,洞长 86.3m,洞轴线方向NE49°,与引水隧洞近垂直相交于主洞桩号y2+551m,为城门洞型,宽7.5m,高9.0m,于2007年9月上旬贯通,开挖采用边开挖边支护的方式,其中桩号0+0～0+25m段采取混凝土衬砌;桩号0+25～0+86.3m段采取网喷混凝土,3m长系统锚杆、间距3m玫花型布置,钢格栅等联合支护。2008年8月上旬,发现桩号0+30～0+60m段左段洞壁出现网喷混凝土层拉裂开缝、洞两壁向洞内明显变形现象,于是迅速在桩号0+25～0+80m段洞两壁搭建混凝土衬砌,用水平工字钢将两壁混凝土进行支撑,8月底,水平支撑的工字钢已明显出现弯曲现象,桩号0+25m附近钢筋混凝土支护出现开裂,局部混凝土剥落,进口洞脸边坡及其上、下游侧边坡喷混凝土层也出现拉裂开缝现象,同时,主洞桩号y2+540～y2+565m段,网喷混凝土层也出现了拉裂开缝现象,这些现象的出现和发展,直接影响3#施工支洞围岩的稳定,并对压力管道段和调压井围岩稳定不利。

针对这些异常现象分别从理论上、工程地质、支护角度进行了分析,利用分析的结论,采取了有针对的工程处理措施,取得了很好的效果。

2 3#施工支洞工程地质条件

地形坡度30°～40°,上覆岩体厚 30～70m,其中覆盖层厚8～10m,主要为碎块石土,呈松散～密实状态,基岩为震旦系下统澄江组砂岩夹泥质页岩,岩石呈弱风化状态,岩层层理较稳定,层理产状为:NE60°SE＜73°。砂岩强度较高,层理间距10cm～20cm;泥质页岩为砂岩夹层,层厚1cm～3cm,每层间距10cm～20cm,岩石强度低、性状差,遇水软化。围岩内未见断层等大的结构面发育,裂隙主要发育二组,(1)NE60°SE＜73°,顺层理发育,间距10～20cm,面平直粗糙,延伸长,闭合;(2)NW290°～ 310°SW ＜75°～ 80°, 面平直粗糙,闭合,断续延伸。其中 (1)组最发育,受裂隙切割及影响,岩体破碎。地下水类型为基岩裂隙水,接受大气降水补给,向牛栏江排泄。综合分析判定围岩工程地质分类为Ⅳ类。

3 3#施工支洞围岩变形分析

3.1 理论分析

隧洞的开挖与形成,岩体的原始应力平衡状态被破坏,发生应力重分布,随着应力的重分布,围岩不断变形并向洞室内部逐渐位移,一些强度低的岩石由于应力达到强度极限值而破坏,产生的山岩压力作用于支护上。3#施工支洞围岩泥质页岩软弱,易于破坏,由于隧洞工程的进展,一部份泥质页岩发生了破坏,伴随着时间的延长,发生了破坏的围岩数量及范围越来越多,产生了较大的山岩压力作用于支护上,支护发生了变形,最终出现了各种异常现象。

3.2 工程地质分析

3#施工支洞围岩工程地质分类为Ⅳ类,围岩岩体破碎,隧洞的开挖与形成,加大了围岩岩体的破碎程度,加大了地下水的排泄空间与通道,地下水的活动加强了,泥质页岩受地下水的影响程度加大了,喷混凝土支护、混凝土衬砌阻止了地下水直接排泄到隧洞内,加长了地下水的排泄渗径,受大气降水影响,隧洞上方的地下水位抬高了,被抬高的地下水对围岩支护的压力增大了,同时,加大了泥质页岩的软化速度与范围,加大了围岩变差的速度与范围。被软化的泥质页岩在地下水作用下局部出现了流失现象,导致围岩内局部出现了小的联通性空洞,这又加大了围岩变形空间,加速了围岩变形速度,这样,失去自承能力而破坏了的围岩越来越多,作用在支护上的应力越来越大,导致了支护发生了反应,出现了各种异常现象。

桩号0+25～0+86m段围岩不断的塑性变化、破坏,在地下水作用下,产生破坏的围岩内部细颗粒物质易被水流带走,岩体变得松动、松散,与之相联的桩号0+0～0+25m段围岩和主洞桩号y2+540～y2+565m段的围岩不断向松动、松散的岩体卸荷、变形,将已发生松动破坏的围岩岩体进行加密,这一过程加大了主洞围岩变形范围和速度,形成的山岩压力对支护产生了很大的作用,最终导致主洞桩号y2+540～y2+565m段钢格栅产生了不均一变形,出现了围岩支护上混凝土拉裂开缝现象,同时也加大了3#施工支洞桩号0+25m段附近围岩的变形,出现了该段衬砌混凝土变形和局部混凝土剥落现象,导致洞脸边坡及其附近边坡喷混凝土层受影响而出现了异常变化。

3.3 支护分析

3#施工支洞围岩层理发育,层理倾角较陡,3m长的系统锚杆大部份是沿层理面伸入到岩体内部的或锚杆大部份穿行于泥质页岩中,伴随围岩泥质页岩的软化,锚杆作用不断减弱,最终导致了部份锚杆逐渐失去了作用,同时,隧洞的形成,增加了地下水运动通道和排泄空间,加大了地表水与隧洞围岩的联系,加速了泥质页岩软化速度,这样,支护的锚杆发挥作用越来越弱,洞壁的位移量和位移速度越来越大,同时,在隧洞形成开始阶段,钢格栅支护与围岩没有完全接触,围岩变形完全接触到钢格栅支护时,围岩塑性变形范围和洞壁位移量其实已经很大了,失去自承能力的围岩已经很多了,产生了很大的山岩压力作用于钢格栅上,因为围岩岩体的不均一性,再加上系统锚杆、网喷混凝土的作用,钢格栅出现了不均匀受力、局部出现了受力过大的情况,因为钢格栅是一种相对柔性的拱形支护,对围岩顶拱的支护力要高于对两洞壁的支护力,支护力强的地方变形相对要小一些,各种作用下钢格栅出现了不均匀变形现象,引起钢格栅支护段上混凝土拉裂开缝和水平支撑变形现象。

3.4 综合分析

地下水对泥质页岩的软化作用,地下水运移带走一些细颗粒物质,厂房后边坡的开挖,压力管道的爆破等加剧了围岩塑性变形速度,导致了部份围岩变形过大,致使一部份支护作用减弱,失去自稳能力的围岩增多,对支护的应力增大,同时,支护本身的不均一性,最终导致出现了一系列异常现象,这也说明了该区隧洞发生了破坏的围岩占整个隧洞围岩的一部份,且这些破坏的围岩是逐渐形成的,隧洞在支护作用下整体是稳定的。加强整个3#施工支洞的排水和加强对一部份围岩的支护是保障隧洞稳定的关键。

4 工程处理

在隧洞的顶拱区增设了4m长、间距4m、玫花型布置的系统排水孔,完善桩号0+25～0+80m段混凝土衬砌,使该段两侧边墙及顶拱共同成为一个整体支护型式,工程处理完成到2009年底这段时间,经历了2009年夏季雨量充沛时期,该隧洞内未出现新的异常现象,前一段出现的各种异常现象均未进一步发展。说明我们工程处理是得当的,说明了我们分析是正确的。

5 结语

工程中异常现象出现后,要进行全面分析原因,对症下药才能取得最优效果。

3#施工支洞异常现象的科学分析,为工程处理指明了方向,有利地保障了天花板水电站的顺利进行。