长河坝水电站地下厂房围岩变形特征

2016-03-17刘永波,左雷高,闵勇章

四川水力发电 2016年1期

关键词：边墙洞室厂房

刘永波,　左雷高,　闵勇章

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都　610072)

长河坝水电站地下厂房围岩变形特征

刘永波,左雷高,闵勇章

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

摘要：以施工期变形监测资料为基础，结合地质条件、物探、监测和施工资料，对长河坝水电站地下厂房的围岩变形破坏特征进行了分析。分析结果表明：高应力区大跨度地下洞室群洞室立体交叉，作为一种非连续介质，岩体在施工过程中厂房顶拱累计变形总量小，变形深度大，每次开挖爆破震动使得变形速率呈阶梯状增大。厂房上下游边墙岩锚梁部位累计变形总量相对较大，变形时间长，变形速率随深度的增加逐渐减小；受爆破震动影响，变形曲线呈阶段性上扬。主厂房与洞室平交段变形时间长，累计变形位移量大，其变形速率大、变形深度大与岩体结构面关系不大，变形大主要与地应力较高、交叉洞段开挖卸荷以及爆破开挖后应力重新调整等有关。根据变形特征，提出了一些施工建议。

关键词：长河坝水电站；地下厂房；变形速率；变形总量；开挖卸荷

长河坝水电站位于四川省康定县境内，属青藏高原东南部川西北丘状高原东南缘向四川盆地过渡地带，周边构造活动较强。长河坝水电站地下厂房布置于大渡河左岸，开挖过程中围岩变形较复杂。近年来的研究成果多为采用数值模拟方法[1]，定性或半定量地对围岩稳定性进行分析[2]，而对地下厂房整体变形情况分析的资料较少，尤其是在围岩位移量级、施工开挖期间位移发展速率、变形深度、洞室易产生变形部位等方面。笔者对这方面做了一些探讨。

1工程概况

长河坝水电站主厂房尺寸为228.8×30.8×73.35 m(长×宽×高)。岩锚梁以上跨度为30.8 m，以下为27.3 m。上游边墙由4条压力管道相连，下游边墙与4条母线洞相连。主变室和尾水调压室与厂房平行布置，主厂房与主变室的中心距离为68.45 m，主变室与尾水调压室的中心距离为65.15 m。由4条尾水连接洞连接主厂房与尾调室，平行布置。

2基本地质条件

地下厂房区地表地形坡度为40°～45°，局部达55°～60°，坡面基岩裸露。厂区出露基岩主要为晋宁～澄江期(γ2(4))花岗岩。地表水入渗困难，补给水源有限，岸坡排泄条件较好，总体为地下水补给河水。

地下厂房区埋深较大，水平埋深约230～430 m，垂直埋深约285～480 m，其中水平埋深200～350 m处为中等应力区，350～450 m处最大主应力σ1量级为25.68～31.96 MPa，方向大致为N60°～80°W，倾角为-20°～-54.98°，属高地应力区。厂房纵轴线方向为N82°W，近平行于最大主应力方向。据勘探平硐和工程筹建期部分地下洞室等开挖揭示：地下厂区无区域性断层通过，岩体完整性好，主要结构面为次级小断层、挤压破碎带和节理裂隙。地下厂房区地下水不发育，以渗水～滴水为主。

据开挖揭示及对厂区裂隙进行的统计得知：裂隙发育方向以NE向为主，次为NW向，少量近 EW向，主要发育J2、J1、J3等3组，次为J4、J8，局部零星发育J5、J9两组。主要发育3条次级小断层fc-19、fc-24、fcf-11，结构面发育特征如表1所示，详细发育情况见图1、2。厂区岩性为花岗岩(γ2⑷)，岩体微新～新鲜，裂隙较发育～发育，岩体结构以次块状结构为主，局部为镶嵌结构，干燥、局部渗滴水，整体围岩以Ⅲ类为主，次为Ⅱ类、少量为Ⅳ类。大部分结构面与厂房轴线呈大角度相交。

3物探检测情况

根据厂房开挖揭示的地质条件、结合厂房结构布置，沿厂房轴线布置了6个声波检测断面，根据可研阶段物探资料，长河坝水电站厂区完整花岗岩的声波速度取6 400 m/s。厂房1-1～6-6断面1 476～1 507 m高程岩体低波速深度一般为1.2～3.6 m，局部低波速深度达到4.2～7.6 m，平均声波速度为2 297～5 262 m/s，为较破碎～较完整岩体；平稳区岩体平均声波速度为3 806～5 631 m/s，为完整性差～完整岩体。通过声波检测得知：顶拱岩体开挖松弛圈为1.2～3.6 m，3.6 m以外受开挖影响较小。

表1　厂区结构面发育统计表

厂房上游侧边墙压力管道上部岩体松弛深度一般为2.8～4 m，平均声波速度为2 788～3 156 m/s，为较破碎岩体；平稳区岩体平均声波速度为4 953～5 736 m/s，为较完整～完整岩体。厂房下游侧边墙1#～2#母线洞上部岩体松弛深度一般为1.8～2.4 m，3#～4#母线洞上部岩体松弛深度一般为4.4～6 m，平均声波速度为2 901～3 358 m/s，为较破碎岩体；平稳区岩体波速起伏较大，平均声波速度为3 806～5 372 m/s，为较破碎～较完整岩体。

4施工情况和围岩变形特征监测分析

4.1监测断面布置情况

厂房主要布置有1-1、2-2、3-3、4-4、5-5 5个监测断面，每个监测断面布置8套多点位移计(其中3套延伸至排水廊道)，6套锚杆测力计。典型监测断面布置见图1，M 代表多点位移计，上标数字“4”表示为四点式，变形值的计算选取位于岩体最深点为不动点，变形值约定拉伸为正，压缩为负。多点位移计的4 个测点由浅到深为 5，10，15，20 m(距开挖临空面的距离)。由于仪器安装埋设需要工作面，故只能反映仪器安装埋设后的变形情况，而不能将整个开挖施工过程中的变形情况捕捉到。

4.2施工概况

图1　监测典型断面布置图

图2　分层开挖施工时间示意图

主厂房施工采取自上而下分层分段的开挖方式，共分10层，第一层为顶拱先进行中导洞开挖，后进行边拱扩挖，其余层为分层分段开挖方式，采用先预裂后光面爆破的开挖方式。自2011年10月开始，至2013年7月11日开挖结束，发电机层分机组段开挖。采取与厂房上下游边墙交叉的母线洞和压力管道先施工，后进行厂房边墙下卧的施工程序，具体施工时间段见图2。

5围岩变形特征分析

5.1顶拱变形特征

图3　2-2剖面(3#机组顶拱，高程1 510.8 m)M444测点变形时间过程线图

5.2边墙变形特征

厂房上下游边墙岩锚梁部位岩体以次块状为主，围岩类别以Ⅲ类为主，局部为Ⅱ类。各个监测断面在岩锚梁部位分别布设了多点位移计，岩锚梁属于第Ⅲ施工层，结合岩锚梁部位的多点位移计监测成果得知：位于4#机组下游边墙岩锚梁部位的多点位移计M437截止至2013年12月累计位移为86.25 mm，变形趋于收敛；位于3#机组上游边墙岩锚梁部位的多点位移计M449截止至2013年12月孔口累计位移量为51.43 mm，变形逐渐趋于收敛。岩锚梁其它部位的多点位移计实测位移值变化较小，在开挖施工Ⅳ层和Ⅴ层时，受开挖爆破影响，变形速率增大、上升，目前岩锚梁还未发现有较大的位移突变(图4)。

图4　1-1剖面(4#机组下游边墙，岩锚梁高程1 495 m)M437各测点变形时间过程线图

上下游边墙在与平交洞室贯通时常出现较大变形，变形监测结果显示：位于主厂房下游边墙高程1 485 m(4#母线洞上方)处的多点位移计M440(孔口23 m)截止至2013年12月孔口累积位移为113.33 mm。位于厂房下游边墙高程1 485 m(2#母线洞上方)的M463截止至2013年12月累积变形量为88.97 mm；位于厂房下游边墙高程1 470 m(2#母线洞底板下方)的M464截止至2013年12月累积变形量为110.89 mm。下游边墙母线洞段岩体结构以次块状为主，围岩以Ⅲ类为主，其中4#母线洞外侧受断层fc-19影响为Ⅳ类围岩，岩体呈镶嵌～碎裂结构，主要发育J1、J4(近平行于边墙陡倾裂隙)、J3组裂隙(图5、6)。

图5　1-1剖面M440测点变形时间过程线图

图6　3-3剖面M463测点变形时间过程线图

母线洞下部约9 m主要属于第Ⅴ施工层，上部3 m属于第Ⅳ施工层，主厂房下游边墙母线洞顶拱上方和母线洞底板下方的多点位移计变形主要发生在主厂房Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ层开挖过程中，受爆破开挖和自身岩体应力调整的影响，该部位变形持续增加，变形速率呈阶梯状上升，每层爆破结束后一段时间内，随着支护的实施，变形速率逐渐趋于稳定状态，下层爆破时变形速率又呈上升趋势。变形深度大于多点位移长度(多点位移计长23 m)，在母线洞内距洞口(即下游边墙)处20～30 m能看到环向裂缝，裂缝宽度为5～10 mm不等，多沿J4裂隙张开，即开挖后向洞室产生卸荷拉裂，为“张开位移”，大于岩体开挖松弛圈(松弛深度一般为4.4～6 m)，累计变形量较大，一般为88.97～113.33 mm，在交叉段处易产生掉块和坍塌。2#、4#母线洞附近岩体稍松弛，受结构面组合影响形成不稳定块体，施工过程中产生了掉块和小型坍塌(塌腔高度为1～2 m)。变形时间长，从第Ⅳ层开挖开始变形加剧，直至第Ⅷ层开挖结束后，随着支护的实施，变形曲线逐渐趋于收敛。2#母线洞平交厂房边墙附近岩体为Ⅲ类，最大变形为110.89 mm，4#母线洞平交厂房边墙附近岩体为Ⅳ类，最大变形为113.33 mm，两部位变形差异不大，故变形与岩体类别和结构面关系不大。

同样，上游边墙与压力管道平交段、1#压力管道上方厂房边墙曾出现过较大变形。压力管道主要属于第Ⅶ施工层，上部约3 m属于第Ⅵ施工层，第Ⅵ层施工时间为20120915～20121026，该层爆破后，1#压力管道0+626处于2012年9月16日出现垮塌，受其影响，高程1 474 m(1#压力管道与厂房连接部位上方)的多点位移计M426孔口累计位移达到93.35 mm，变形深度为11 m，塌方引起的位移增量达到69.46 mm。随着施工的进行(201301～201307)，变化速率为0.05 mm/d，随着2013年8月主厂房开挖基本结束，变化速率为0.01 mm/d，变形逐渐趋于平缓。截止至2013年12月，该多点位移计孔口累计位移为125.8 mm。该部位岩体以次块状为主，主要发育J6、J4、J2三组裂隙，总体为Ⅲ类围岩，受裂隙组合影响形成不稳定块体，施工过程中多产生掉块，多点位移计突变主要是受交叉洞室和爆破开挖以及自身岩体应力调整的影响。变形特点为变形速率呈阶梯状上升，每层爆破结束后一段时间，随着支护的实施，变形速率逐渐趋于稳定，下层爆破施工时变形速率又呈上升趋势。变形深度较大，约为11 m，大于开挖松弛圈深度(该部位岩体松弛深度一般为2.8～4 m)。变形时间长，从压力管道层开挖开始，直至主厂房开挖基本结束，变形曲线趋于平缓，变形总量大(图7)。

图7　4-4剖面(1#机组上游边墙高程1 474 m )M426测点变形时间过程线图

6结语

长河坝水电站地下厂房为高应力区大跨度地下洞室群，洞室立体交叉，岩体以Ⅲ类为主，局部为Ⅱ类，少量为Ⅳ类，笔者对其围岩变形破坏规律归纳如下：

(1)厂房顶拱累计变形总量小，为3.04～7.5 mm。顶供多点位移计变形的10 m曲线和孔口位置曲线重合，变形深度距顶拱20～30 m，变形扩展在爆破松弛圈以外。刚开挖后变形速率较大，随着开挖后锚固措施的实施，变形速率逐渐减缓，最后趋于平缓、收敛。变形速率和变形量随深度的增加逐渐减弱，每次开挖爆破震动使变形速率呈阶梯状增大。

(2)厂房上下游边墙岩锚梁部位累计变形总量相对较大，为51.43～86.25 mm，主要是受应力重分布和开挖卸荷影响，开挖后岩锚梁部位应力集中度高，产生向临空面的变形。变形时间长，刚开挖后变形速率较大，随着支护的实施，变形速率逐渐变缓但并未收敛，直到边墙开挖完成后变形曲线趋于平缓并逐渐收敛。变形速率随深度的增加逐渐减小。受爆破震动影响，变形曲线呈阶段性上扬，开挖爆破增加变形速率，随着下卧施工，爆破对变形速率的影响越来越小。

(3)主厂房与洞室平交段变形时间长、变形速率加大是从交叉段层开挖开始，交叉段以下开挖速率逐渐减小但未收敛，直至厂房开挖爆破结束，累计变形位移量大，为88.97～125.8 mm。每次开挖爆破都会引起变形速率的加大，尤其是交叉段所在层开挖爆破引起的变形速率较大，达到3.35 mm/d，最大M426塌方引起的位移增量达到69.46 mm。变形深度较大，大于开挖后岩体松弛圈深度(2.8～6 m)，一般在距厂房边墙11 m以内，最大如2#、4#母线洞距下游厂房边墙30 m。变形量大、变形速率大、变形深度大与岩体结构面关系不大，交叉段厂房边墙附近和平交段洞室岩体以Ⅲ类为主，局部为Ⅱ类。变形大主要与地应力较高、交叉洞段开挖卸荷以及爆破开挖后应力重新调整等有关。

7建议

在地下厂房施工过程中，顶拱对于一个大跨度、高边墙的洞室来说是首先需要关注和重视的部位。厂房施工是否安全与顶拱关系密切，应加强顶拱巡视和监测并采取适宜的加强支护措施。岩锚梁是关乎厂房成败的一个关键部位，在岩锚梁施工中应采取适宜的施工工艺和施工方法，以确保岩锚梁的形成并加强监测。对于洞室与厂房平交段，由于洞室空间立体交叉、应力调整，在开挖卸荷后应力重分布，局部出现应力集中，与洞室平交段附近的厂房边墙变形较大，在平交洞室中局部会出现沿结构面的“张开位移”。在施工过程中，对其应重点加强巡视、监测并采取适宜的加强支护措施。

参考文献：

[1]彭琦，王俤剀，邓建辉，等. 地下厂房围岩变形特征分析[J].2007，26(12)：2 583-2 587.

[2]黄秋香，邓建辉，苏鹏云，王俤剀，游萍.瀑布沟水电站地下厂房洞室群施工期围岩位移特征分析[J].岩石力学与工程学报，2011，30(增1)：3032-3042.

[3]魏进兵，邓建辉，王俤剀，蔡德文，胡建忠.锦屏一级水电站地下厂房围岩变形与破坏特征分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29(6)：1198-1205.

[4]程丽娟，李仲奎，郭凯.锦屏一级水电站地下厂房洞室群围岩时效变形研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30(增1)：3081-3088.

[5]冷先伦，盛谦，朱泽奇，等. 遍布节理对地下洞室群围岩稳定性的影响研究[J]. 土木工程学报，2009，42(9)：96-103.

[6]卢书强，巨能攀，许模，等. 岩体质量对地下洞室围岩稳定性的影响[J]. 地球与环境，2005，33(增 1)：319-323.

[7]黄达, 黄润秋, 张永兴.三峡工程大型浅埋地下厂房围岩变形特征及机理研究[J].水文地质工程地质，2010，37(2)：42-48.

刘永波(1981-),男，河南许昌人，工程师，学士，从事水电工程勘察技术工作；

左雷高(1981-)，男，河南信阳人，高级工程师，学士，从事水电工程结构设计及工程管理工作；

闵勇章(1981-)，男，湖北孝感人，高级工程师，学士，从事水电工程勘察技术与管理工作.

(责任编辑：李燕辉)