澜沧江某水电站地下厂房围岩稳定性分析

张永辉，王永彬，郭 松

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 10024）

本文所述水电站位于澜沧江上游河段，以发电为主，兼有旅游、改善流域环境、促进地区社会经济与环境协调发展等作用。工程等别为大 （2）型二等工程，大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高107 m，枢纽布置方案为 “碾压混凝土重力坝+坝身孔口泄洪+左岸地下厂房”。大坝、泄水、电站厂房等永久性建筑物为2级建筑物。水库正常蓄水位1 477 m，相应库容2.93亿m3，装机容量920 MW。地下厂房顶拱设计高程1 438.30 m，开挖尺寸204.0 m×26.4 m×67.0 m（长×宽×高），外边墙距边坡水平距离为180～200 m。

1 地下厂房基本地质条件

1.1 地形条件

地下厂房布置于左岸山体内，左岸山体雄厚，山顶高程大于1 800 m，地表地形陡峻，无较大深切冲沟发育。厂房顶部最大埋深380 m，上部微新岩体厚度为200～300 m，属于深埋隧洞。

1.2 地层岩性

厂房区基岩岩性为白垩系下统景星组下段的灰白色、灰绿色石英砂岩与紫红色、灰绿色绢云母板岩不等厚互层， 岩层产状NE3°NW∠75°～85°， 陡倾下游偏岸外，以微风化～新鲜岩体为主，较完整。石英砂岩单轴饱和抗压强度较高，一般达80～120 MPa，属坚硬岩石；板岩单轴饱和抗压强度较低，一般为20～60 MPa，属于较软～中等坚硬岩石。围岩岩性整体上以板岩为主，约占60%。砂岩最大单层厚度20 m，板岩一般小于10 m。片理产状与原始岩层产状近一致，较为稳定。

1.3 地质构造

厂房区未见规模较大的Ⅱ级以上结构面发育，Ⅲ级结构面发育较少，Ⅳ、Ⅴ级结构面发育较普遍。结构面裂隙主要发育有3组：①NE0°～20°NW∠83°层面裂隙，其优势产状为 NE10°NW∠83°；②NW270°～290°NE （SW） ∠70°～90°垂直层理， 为陡倾角结构面，属硬性结构面，延伸短，不太发育，裂隙多为岩屑型充填，少量有夹泥现象，其优势产状为 NW280°SW∠80°； ③NE3°～20°SE∠10°～25°缓倾角裂隙，多张开，为硬性结构面，无充填。其中，①组占裂隙总数的78%，②组占裂隙总数的16%。两组裂隙均为陡倾角，以略倾下游为主。勘探平硐揭露的裂隙面张开度以闭合为主，无充填，结合好。张开或微张的裂隙面多充填岩屑，结合差。裂隙面以起伏光滑或平直粗糙、平直光滑为主要特征。

1.4 岩体风化

根据地下厂房勘探平硐物探测试成果，围岩声波平均波速为4 000 m/s，岩体平均完整性系数KV=0.62。地下厂房围岩总体上较完整，未发现有大规模不利于厂房稳定的结构面组合，围岩以微风化～新鲜岩体为主，局部裂隙发育地段或受构造影响岩体表现为弱风化、强风化状。

1.5 地下水

左岸地下水位高程为1 460～1 510 m，地下厂房顶拱位于地下水位以下50～80 m。勘探平硐揭露，有多处滴水—渗水现象。出水裂隙方位统计显示，出水裂隙大多为与岩层产状基本一致的陡倾裂隙。

根据坝址区钻孔压水试验成果，微风化、微新岩体多属弱—微透水带。因此，洞室开挖后不会产生大流量的集中涌水现象，仅在局部张裂隙发育段或断层破碎带有点滴状地下水或线状流水出露。

1.6 地应力

地下厂区最大水平主应力值为6.0～18.0 MPa，最小水平主应力值为4.0～10.0 MPa。可见，地应力对地下洞室围岩稳定危害不大。实测最大水平主应力优势方向为NE12°～19°，表明工程区现今构造应力状态以接近S～N向挤压为主。根据地应力实测值，结合岩石力学指标，定性、定量分析围岩发生岩爆的可能性较小。

2 地下厂房围岩稳定性分析

2.1 地质因素分析

影响围岩稳定性的地质因素主要包括岩质特性、地质构造、地下水和岩体应力4个方面。

从工程区地下厂房洞室围岩的单轴饱和抗压强度指标看，石英砂岩属坚硬岩，板岩属于中等坚硬—较软岩，砂岩段具有一定的强度和厚度，对围岩稳定有利。板岩段因层薄，强度较低，对围岩的稳定不利。

该工程厂房区结构面以Ⅳ、Ⅴ级为主，Ⅲ级以上结构面发育较少。Ⅲ级结构面对围岩的影响仅限于结构面两侧数米的范围内；Ⅳ、Ⅴ级结构面根据其发育频度的不同，主要对围岩的结构类型有一定影响。对于砂岩、板岩互层出露围岩来说，结构面对厂房轴线选择最重要，优势结构面与厂房轴线夹角越大，对厂房地下洞室围岩的稳定越有利。根据厂房探洞裂隙统计分析，厂房区发育裂隙的优势方向为 NW350°～NE20°（平均值取 NE10°）， 厂房轴线方向为NW315°，结构面走向与厂房轴线的夹角为45°～65°（平均值为55°），呈大角度相交，对围岩稳定有利。

本工程地下厂房区地下水不丰富，多以点滴状渗水或线状流水为主，大规模突水、涌水的可能性较小，对围岩的整体稳定性影响不大。另外，砂岩的水敏性弱，结构面多为刚性结构面，地下水对其影响不大；板岩水敏性较强，结构面遇水易软化、泥化，强度急剧降低。因此，地下水对板岩段围岩影响较大。

厂房轴线方向为NW315°，实测最大水平主应力优势方向按照 NE12°～19°考虑 （平均值取 NE16°），厂房轴线与最大主应力夹角为57°～64°（平均值为61°），不利于地下洞室的围岩稳定。但工程区地应力值属于中等，对厂房轴线的选择不起控制作用。

2.2 三维有限元分析

（1）初始应力场分析。可将三维初始地应力场看作是由自重应力场和各种构造场的组合，基于实测点地应力值用逐步回归分析方法求出回归系数，从而得到厂区岩体初始地应力场。从地应力回归成果看，实测值与回归值拟合性较好。该水电站厂区初始地应力场决非仅由自重应力场引起，而构造应力场主要由厂区主厂房轴线方向和垂直于主厂房轴线方向的构造应力产生，该区域岩体处于中等级的初始地应力中。

（2）洞室开挖后围岩应力场特征。根据模拟施工开挖过程，获得最终洞室施工完成后的盈利计算成果，毛洞工况下开挖完工后主厂房拱顶最大环向压应力为-18.96 MPa（发生在2号机组剖面），主厂房拱脚最大环向压应力为-22.40 MPa（发生在2号机组剖面上游拱脚），主厂房侧墙最大环向压应力为-14.06 MPa（发生在3号机组剖面上游侧墙）。在锚杆及喷混凝土的共同作用下，各洞室上、下游拱脚处以及洞室开挖的凹角处应力集中有所减缓，主要是由于加锚后约束了洞周的变形，从而减少了围岩的应力集中程度。各洞室围岩应力分布规律相近，均以压应力为主，拉应力出现在局部区域，但拉应力值未超过岩体的抗拉强度。在各洞室的拱脚处以及洞室侧墙墙角处，应力集中较为明显，但其压应力值都小于围岩的抗压强度。

（3）塑性区变化特征。开挖完工后，主厂房塑性区主要集中在上游侧墙中下部以及与进水洞交汇区域、下游侧墙中部以及母线洞与尾水洞之间的岩柱。主厂房上游侧墙与进水洞交汇区域以及尾调室上游侧墙中部区域塑性区范围相对较大，而在洞室顶拱区域塑性区相对较少。

（4）洞室开挖后围岩变形特征。主厂房围岩总体朝开挖临空面方向变形，各洞周变形符合规律；主厂房由于开挖深度较大以及拱的约束作用，侧墙位移大于拱顶位移；主厂房拱顶最大沉降为1.76 cm（发生在1号机组剖面），主厂房侧墙最大径向位移为4.42cm。1号机组拱顶沉降相对较大，主要是此处的裂隙密集带影响所致。

2.3 围岩块体稳定性分析

地下厂房不存在规模较大的断层。即，不存在由Ⅲ级以上结构面组成的块体。岩体结构面以Ⅳ级为主，层间结构面最为发育，延伸长，陡倾角；其次为垂直层面的一组，陡倾角；第三为缓倾角裂隙。裂隙面多属硬性结构面，一般无充填，少量为岩屑、泥质充填。根据厂房轴线与结构面的关系以及对结构面之间的组合分析，对于顶拱而言，三组裂隙随机组合成不稳定的矩形体或楔形体，层面及垂直层面的裂隙构成了侧裂面，缓倾角裂隙构成了不稳定块体的顶面和底面，但体积一般较小。两端墙板岩集中发育地带，由于厂房开挖形成临空面，易向临空面产生变形以致于折断，影响围岩的稳定。边墙部位受层面、垂直层面及缓倾角裂隙的切割形成向洞内滑动的不稳定块体，局部的这种组合的趋势分布范围较广，位置一般不太容易确定。

洞室整体和单机组段的变形、应力分布和塑性区分析结果表明，地下洞室整体上是稳定的。局部稳定性较差地段需采取一定的施工处理，如在裂隙密集带做灌浆处理，在塑性区采取布设较大预应力锚杆、锚索或加密锚杆和增加锚杆长度等措施，从而保证围岩的稳定性。

3 结论

（1）根据岩性组合特征、结构面发育特点及地应力特征，主厂房轴线位置区工程地质条件较好。

（2）对围岩影响较大的地质因素主要为围岩的岩性、结构面的规模及性状、地下水和岩体应力水平等。

（3）实测地应力成果及三维应力场回归分析表明，厂房区地应力中等，对围岩稳定影响不大。洞室开挖后，围岩应力以压应力为主，拉应力出现在局部区域。在各洞室的拱脚处以及洞室侧墙墙角处，应力集中较为明显。

（4）洞室开挖后，围岩向临空面发生位移，但位移量不大。洞顶局部受构造及裂隙影响，沉降较大。

（5）地下厂房围岩稳定性总体较好，随机组合的不稳定块体规模均不大。