沙湾水电站引水隧洞围岩塌方分析研究

2013-02-02谷健

四川建筑 2013年6期

谷健

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都610072)

1 工程概况

沙湾水电站位于四川省木里县境内，系雅砻江中游右岸最大支流木里河干流水电规划一库六级方案中的第三级梯级电站。引水隧洞长约18.775 km，纵坡降4.04778‰，利用落差256 m，装机容量240 MW。隧洞断面型式为圆型，直径为7.2 m，设计引用流量124.08 m3/s。引水隧洞开挖过程中出现大量围岩塌方，严重影响了施工进度。

2 引水隧洞基本地质条件

引水隧洞沿线山体雄厚，河谷深切，呈“V”型谷，谷坡陡峻，植被发育。隧洞位于木里河右岸，沿线支沟较为发育，从上至下分别为:日阿冬沟、阳山沟、茶布朗沟等，常年性流水。引水隧洞沿线出露岩性主要为奥陶系下统瓦厂组板岩夹中厚层状层纹理发育变质石英砂岩、千枚岩，人工组的中厚层状层纹理发育的变质石英砂岩夹板岩、千枚岩，少量志留系(S1)的板岩夹千枚岩、硅质岩，三叠系下统领麦沟组的板岩夹千枚岩、硅质板岩。岩层总体产状:N30°～40°W/SW∠15°～50°。

隧洞区地质构造较为复杂，发育4条区域性断层——圆宝山、尼都、机落和茶布朗断层，破碎带一般宽约20～40 m，机落断层宽达248 m，由碎裂岩、糜棱岩、角砾岩、少量断层泥、裂隙密集带组成，揉皱较发育，层间错动带宽0.3～0.5 m，随机发育小断层，宽度0.5～3 m，由碎裂岩、糜棱岩组成。隧洞区物理地质作用较显著，主要表现为卸荷与崩塌，沿线崩、坡堆积的块碎石分布较广泛，两岸的支沟泥石流不发育，岩体风化主要受岩性、构造控制，部分地段风化较强。

隧洞区地下水主要为第四系松散堆积物孔隙水和基岩裂隙水两种类型。第四系松散堆积物孔隙水受大气降水控制;基岩裂隙水，其赋存与运移主要受岩性和构造所控制，主要富积于断层附近裂隙密集带，埋藏较深，向河谷及下游排泄。据区内沟水、河水及泉水水质分析成果，隧洞区环境水对混凝土无腐蚀性。

3 主要塌方形式

沙湾水电站引水隧洞断面型式为圆型，直径为7.2 m。隧洞工程区主要为变质石英砂岩夹板岩、千枚岩，岩性属硬岩、软岩相间。因引水隧洞地质条件不同，塌方形式也有所不同。主要的塌方形式有:塑性挤出、内挤塌落、松脱塌落和碎裂松动等。

软岩区主要表现为塑性挤出和内挤塌落，塌方过程为缓慢变形直至整体破坏。硬岩区则以松脱塌落和碎裂松动为主，起初为掉块，如不及时支护，将逐渐整体塌落，顶拱形成大的空腔。

4 塌方影响因素

塌方的产生，往往是多种不利地质因素综合作用的结果。通过对沙湾水电站引水隧洞长18.775 km的地质调查分析发现，塌方主要的影响因素包括以下几点。

4.1 围岩强度

硬岩塌方主要由结构面控制，而软岩塌方主要决定于围岩强度。据统计，隧洞27处塌方中，有21处位于断层破碎带、软岩附近，占总数77%。可见隧洞塌方大多发生在断层破碎带及其交汇带、软弱岩层中。围岩强度越小，塌方规模越大。表1列出了塌方处围岩分类情况。

从表1可见围岩不稳定主要集中在V类和IV类，尤其是V类，而III类则无塌方。说明围岩强度是影响围岩稳定性的重要因素。

4.2 岩体结构

塌方与岩体结构类型关系密切，岩体结构类型决定了岩体破坏形式、岩体内部相互作用的力学状态。27处塌方的岩体结构类型统计见表2。

从表2可以看出，岩体结构类型中的碎裂结构对围岩稳定性影响最大，达到51.9%，其次是层状结构和散状结构，而块状结构对围岩稳定性影响最小，仅有1处。这与碎裂结构的成洞条件差有关，碎裂结构相较其他结构更易在外力作用下破坏，失去整体稳定性。因而在隧洞开挖、支护过程中对碎裂结构岩体洞段应引起高度重视。

表2 岩体结构类型统计

4.3 地下水活动

地下水的活动对恶化围岩稳定性导致塌方起到至关重要的作用。在断层裂隙发育及水敏感性强的软岩情况下，地下水因洞室开挖面汇集排泄，对围岩不仅产生外压，而且将产生动水压力，带走不稳定的松软物质;同时，软化、泥化及膨胀作用也将减小结构面的摩擦力。因此，地下水的活动极大地促进了塌方的发生，且规模增大［1］。

沙湾水电站引水隧洞开挖过程中地下水极其发育，27处塌方中有16处与地下水活动有关，占59.3%。其中部分塌方段在断层挤压破碎带和地下水的共同作用下，形成碎石流。另外，泥质板岩的洞段在遇到地下水发育时，泥质板岩被水软化，在外力作用下，岩体表面形成泥浆。故在隧洞开挖时及时、有效排水对洞室稳定非常重要。

4.4 有害气体

在沙湾水电站的引水隧洞开挖过程中，常见有异味气体从隧洞底板和洞壁上逸出，且洞壁、长大裂隙和裂隙交汇地带多处发现有硫磺析出。2008年1月2日，在1#支洞下游侧桩号K2+245m附近，放炮后发生2名工人中毒事件，爆破后又发生了二次爆炸，在顶拱形成一个高10 m、宽4～6 m的塌腔。经试验分析表明，隧洞中气体的主要成分有:O2、N2、H2、CO2、CO、CH4、SO2、H2S 和氮氧化合物等。可以肯定隧洞塌方为有害气体二次爆炸形成，这在其他隧洞开挖过程中是少见的。

5 塌方机理

塌方实质是围岩应力不平衡的表现。隧洞开挖前，围岩处于三向受力的围压状态。随着洞室的开挖，洞周围岩在天然初始应力场的背景下产生应力集中，或集中后的应力释放使应力集中区往围岩深部迁移，从而形成二次应力场。在重新分布的过程中，洞壁岩体挤压变形，凸向洞内，如未及时支护或支护强度不足，围岩将失去自稳能力，从而形成塌方;加之地下水的活动，降低了结构面的c、φ值，加剧了塌方的形成。塌方一般都是从变形到掉块，最后形成大规模的塌方。

沙湾水电站引水隧洞区域岩性主要为板岩夹中厚层状层纹理发育变质石英砂岩、千枚岩，中厚层状层纹理发育的变质石英砂岩夹板岩、千枚岩。软岩与硬岩相间，受地壳、板块作用，挤压揉皱现象突出。开挖支护后，层间软弱带与硬岩受力不均，或无法持续承受拱顶上覆岩体挤压，从而发生局部变形和掉块，未及时加固处理进而发生塌方。

6 塌方处理方式

塌方处理需根据塌方现场实际情况:围岩类别、地下水情况、塌方原因、围岩支护情况和塌方规模等，进行分析后采取具体处理方式。沙湾水电站引水隧洞塌方的处理主要采取以下几种方式。

(1)加密系统锚杆，挂网喷混凝土支护。这种方式主要针对规模小、无地下水发育、围岩为IV类的塌方洞段。该种洞段岩性主要为石英砂岩，岩石坚硬，因不利裂隙组合相互切割形成不稳定块体，整体稳定性较好。

(2)预埋灌浆管进行水泥砂浆回填灌浆，型钢支撑跟进支护，并挂网喷混凝土。这种方式处理的塌方规模较大，无地下水发育或洞壁湿润，围岩以V类为主的洞段。岩性为炭质板岩夹千枚岩，存在软弱结构面或层间挤压破碎带等不利地质现象，及时处理后不会形成大规模塌方。

(3)用塌碴封闭塌方洞段，埋混凝土输送管，采用泵送混凝土回填后再按原断面开挖，用系统锚杆加型钢拱架支护，再喷混凝土，地下水对施工有影响的需做排泄。这种方式主要用于处理塌方规模大、顶拱存在塌腔、地下水发育(有不断涌水现象)、围岩为V类的塌方洞段。该种塌方段存在断层破碎带及其影响带，并伴有线状涌水，围岩极不稳定，岩性以炭质千枚岩为主，挤压揉皱严重，型钢支护后依然发生变形。