西部某水电站左岸地下厂房岩体高应力破坏特征研究

陈建辉 胡 宁 刘 扬 郭抒燕

我国西部地区有多个已建或在建的水电站，这些水电站多分布在高山峡谷中，由于地下洞室埋深较大，开挖过程中受高地应力影响局部会产生岩爆、片帮和岩体破裂现象，混凝土喷层局部也会产生开裂。地下厂房体型巨大，为工程施工的重要部位，也是岩体发生破坏的主要部位，一旦发生高应力破坏，将造成重要不良影响，且危及施工安全。

国外对高应力区岩体破坏进行较深入研究始于20世纪80年代，国内对深埋洞室岩体破坏的研究始于20世纪90年代，尤其是近几年锦屏、官地、小湾及溪洛渡等大型水电站地下洞室的建设，为岩体高应力破坏的研究提供了丰富的资料，并取得了很多研究成果[1-4]。由于西部某水电站体型巨大，地质条件复杂，岩体高应力破坏特征有一定的独特性，通过对岩体破坏的部位、时间、方式、程度等特征的归纳总结，将该水电站开挖过程中岩体高应力破坏类型分为片帮和破裂破坏，并结合基本地质条件、声波、监测及点荷载试验等资料对每种破坏类型的特征和机理进行分析。

地下厂房岩体高应力破坏的研究是进一步研究围岩治理方案的基础，可为工程后续洞室和类似工程的岩体破坏防控提供参考。

1 工程背景

某水电站位于金沙江下游，左岸主副厂房洞垂直埋深260～330 m，水平埋深600～1 000 m，长453 m，高88.7 m，岩梁以下宽为31.0 m，以上宽为34.0 m，洞向N20°E。

厂房采用分层开挖方式，顶拱开挖中导洞先行，上下游侧顶拱各分两序扩挖，第3层高11 m，分层分序对岩梁进行保护开挖，其余层高4～5 m。高程578.9 m以上已开挖完成，如图1所示。

图1 左岸地下厂房开挖分层示意图

左岸厂房区为高山峡谷地貌，地势北高南低，向东侧倾斜，岩层总体产状为N40°～45°E，SE∠15°～20°。岩性主要为二叠系上统的斜斑玄武岩、隐晶质玄武岩、柱状节理玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩。揭露的地质构造有层间错动带C2，层内错动带 LS3152，断层 f717、f718、f720、f721、长大裂隙T720、T721，裂隙以NW向陡倾角裂隙为主，厂房区裂隙线密度一般1～2条/m，局部3～8条/m，如图2所示。岩体结构以次块状结构为主，局部为块状结构，围岩类别主要为Ⅲ1类，少量Ⅱ类，层间错动带C2出露部位为Ⅳ类。

左岸厂房区地应力以构造应力为主，水平应力大于垂直应力，第一和第二主应力基本水平，第三主应力大致垂直。第一主应力方向一般在N30°～50°W之间，量值为19～23 MPa，实测最大水平应力为33.39 MPa；第二主应力量值13～16 MPa；第三主应力近垂直，量值相当于上覆岩体自重应力，一般在8.2～12.2 MPa之间。岩石平均饱和单轴抗压强度 Rb为 74～112 MPa，岩石强度应力比（Rb/σ1）为3.22～5.89，局部存在应力集中现象，总体上属高地应力区[5]，如图2所示。

图2 左岸地下厂房构造发育情况

2 岩体破坏现象

受高地应力影响，某水电站左岸地下厂房开挖过程中，顶拱及边墙局部有片帮、岩体破裂、掉块现象，顶拱混凝土喷层也有开裂、脱落现象。

2.1 片帮

左岸地下厂房上游侧顶拱施工过程中常发生片帮现象，并可听到岩石爆裂声，刚开挖时片帮发育深度一般约10～30 cm，局部50～70 cm，后期深度增加，最大深度可达200 cm，片帮垂直洞轴线宽度一般6～13 m，最宽达20 m，片帮多发生在距掌子面较近的新开挖部位，少量发生在已支护部位。

2.2 顶拱表层岩体破裂

中导洞上游侧顶拱及上游侧顶拱第一序扩挖部位因片帮破坏形成凹坑，凹坑一般在垂直厂房轴线方向形成错台、台坎，台坎周边岩体在已部分支护的情况局部发生破裂现象，破裂面与开挖临空面近于平行，破裂岩体呈薄层状。

2.3 边墙表层岩体破裂

厂房第2层至第7层开挖过程中，开挖分层界面处及分层底脚部位局部有岩体破裂现象，破裂面走向与洞向近平行，倾向临空面，倾角一般30°～60°，岩体破坏可见深度一般10～50 cm，最深80 cm，岩体破裂现象主要分布在下游侧边墙，少量分布在上游侧边墙。

2.4 顶拱混凝土喷层破坏

2015年8月底，左岸地下厂房在进行第3层抽槽及保护层开挖，受应力调整影响，桩号300～350 m段上游侧顶拱局部有混凝土喷层开裂、脱落情况，裂缝宽度最大2 cm，不规则断续延伸，长度约30 m。之后开挖过程中顶拱陆续有不同程度的混凝土喷层开裂、脱落情况。

3 岩体破坏类型及特征

根据左岸地下厂房岩体破坏的部位、方式、程度、时间等特征，以及引起破坏的原因，将岩体高应力破坏类型分为片帮和破裂破坏。片帮为剧烈型破坏，均发生在上游侧顶拱。破裂破坏为缓和型破坏，在顶拱及上下游侧边墙均有发育，见图3、4。混凝土喷层破坏是破裂破坏的一种表现形式。

图3 左岸地下厂房顶拱片帮及破裂破坏分布图

图4 左岸地下厂房边墙破裂破坏分布图

3.1 片帮

片帮主要表现为岩体的片状剥落，持续时间一般数天，少量部位持续时间较长，与地应力状态、支护情况等相关。左岸地下厂房片帮主要发生在上游侧顶拱，片帮最终深度以50～100 cm为主，10～50 cm次之，少量深度达100～200 cm，如图5所示。

图5 左岸厂房顶拱片帮深度比例

厂房顶拱揭露的岩性主要有隐晶质玄武岩、斜斑玄武岩、角砾熔岩，片帮现象在各种岩性中均有发育。其中隐晶质玄武岩最发育，该岩性占上游侧顶拱总面积21%，片帮占该岩性面积的47.8%。斜斑玄武岩次之，角砾熔岩最少，如图6所示。

图6 左岸厂房顶拱岩性及片帮比例

厂房顶拱岩体完整性较好，岩体以次块状、块状结构为主，主要发育NW向陡倾角裂隙，在NW向裂隙发育部位，部分裂隙成为片帮发育边界。片帮一般发生在距掌子面较近的新开挖部位，少量发生在已支护部位，片帮掉块发生后顶拱岩体完整性较好。

3.2 岩体破裂

破裂破坏是指由于开挖导致应力集中，围岩强度不够而出现裂纹，或围岩中微裂纹在高应力作用下逐渐拓展连通，最终出现岩体开裂，甚至塌落破坏，主要发生在完整、较完整岩体中。

顶拱岩体破裂破坏主要在片帮凹坑周边已（部分）支护的台坎上发育，且主要沿开挖次序交界部位分布。

边墙破裂破坏主要分布在下游侧边墙，在上游侧边墙少量分布，占边墙破裂破坏总面积11%，且均发育在分层界面处或分层底脚部位，破坏深度以30～50 cm为主，10～30 cm次之，破裂面走向与洞轴线近平行，倾向临空面，中等倾角。

下游侧边墙的破裂破坏主要分布在分层界面处和分层底脚部位，少量分布在分层中部，破坏深度一般10～30 cm，局部30～50 cm，最深达80 cm，破裂面走向与洞轴线近平行，倾向临空面，倾角一般 30°～60°。

厂房下游侧边墙揭露岩性有隐晶质玄武岩、角砾熔岩、斜斑玄武岩及杏仁状玄武岩，破裂破坏在各种岩性中均有发育，杏仁状玄武岩中的破裂破坏面积比例达15.5%，但由于该岩性面积只有2.5%，故杏仁状玄武岩没有统计意义，其余3种岩性面积比例大致相当，角砾熔岩发生破裂破坏的面积比例最大，斜斑玄武岩次之，隐晶质玄武岩最少。

下游侧边墙中部揭露的角砾熔岩（局部凝灰质含量较高）破裂破坏面积比例达11%，且破裂破坏深度30～50 cm和50～80 cm也主要在该层岩性分布；层间错动带C2上部的隐晶质玄武岩厚度约18 m，是隐晶质玄武岩的主要分布区域，该层岩性局部发育第三类柱状节理，破裂破坏面积仅占0.45%。

3.3 混凝土喷层破坏

在喷锚支护后应力调整仍可导致岩体破裂，从而产生混凝土喷层开裂、脱空等现象。混凝土喷层破坏是破裂破坏的一种表现形式。

左岸厂房顶拱混凝土喷层破坏主要分布在上游侧顶拱，下游侧顶拱在北侧安装场部位少量分布，混凝土喷层破坏多分布在中导洞与一序扩挖、一二序扩挖交界部位，喷层破坏的范围随时间不断增加，主要表现为混凝土喷层开裂、脱落，出露挂网钢筋。

4 岩体破坏成因分析

4.1 片帮

左岸厂房区第一主应力方向与厂房轴线大角度相交，缓倾上游边墙，实测最大水平应力为33.39 MPa，未开挖时岩体处于三向受压状态，本身积蓄了大量的能量，洞室开挖使得能量释放，围岩应力重分布，根据数值分析结果，在厂房上游侧拱肩会产生应力集中，与顶拱相切方向力为σ1′，顶拱法向力为σ3′，临空面量值为0，平行洞轴线的力为σ2′，上游侧顶拱岩体在第一主应力σ1′的作用下，当围岩强度不能适应集中的高应力时，产生近平行于临空面的裂纹，随着岩体中聚积的弹性变形势能突然释放，岩体破裂、脱落产生片帮，片帮为岩体在受压状态下产生的张拉破坏，如图7所示。

顶拱片帮在各种岩性中均有发育，隐晶质玄武岩和斜斑玄武岩中片帮比例大致相当，角砾熔岩中最少，这与玄武岩性脆、隐裂隙发育相关。

图7 厂房上游侧顶拱片帮及破裂破坏示意图

4.2 岩体破裂

顶拱岩体破裂破坏主要发生在片帮形成的凹坑周边，已部分支护的台坎在凹坑部位临空，由于两序开挖间隔时间较长，同时受爆破振动影响，岩体卸荷回弹，产生平行于临空面的破裂面。破裂主要原因为应力集中导致围岩强度不够而出现裂纹，开挖后在交界部位岩体卸荷回弹，裂纹张开形成破裂面。其主导机制为压致拉破坏，同时受第一主应力σ1与体型影响，存在一定的剪切破坏。

边墙底部在开挖过程应力集中，中间抽槽后，保护层岩体卸荷回弹产生倾向临空面的破裂面；分层交界部位的破裂破坏在保护层未开挖时已形成。保护层开挖后分层底脚部位伴随着岩体中蓄积能量的释放，在应力集中下形成的微裂纹张开形成破裂破坏。受倾向河谷的地应力场的影响，下游侧边墙底脚应力集中程度比上游侧边墙大，故下游侧边墙破裂破坏范围和程度比上游侧边墙严重。

下游侧边墙角砾熔岩的破裂破坏面积比最大，且边墙中部揭露的角砾熔岩（局部凝灰质含量较高）裂隙不发育，岩体完整性好，为破裂破坏最严重部位。在该层岩性中取了12个试样进行点荷载试验，平均饱和单轴抗压强度56.2 MPa，岩石应力强度比大于玄武岩，更易发生应力破坏。层间错动带C2上部的隐晶质玄武岩发育第三类柱状节理，且顺层向缓倾裂隙较发育，开挖过程中应力随裂隙释放，故破裂破坏比例最小。

4.3 顶拱混凝土喷层开裂

厂房第三层至第七层开挖过程中顶拱混凝土喷层有开裂、脱落现象。从多点变位计监测情况分析，第四层至第七层开挖过程中，顶拱变形仍在持续发展，上游侧拱肩距顶拱1.5 m处最大位移增量13.68 mm。

厂房开挖过程中，随着洞室高度的增加，在近水平向地应力的作用下，上游侧顶拱应力集中程度及范围都有所增加，这是厂房上游侧顶拱混凝土喷层开裂、脱落的内在原因。

5 结语

（1）某水电站左岸地下厂房开挖过程中岩体高应力破坏可分为片帮和破裂破坏，片帮分布在上游侧顶拱，破裂破坏分布在片帮形成的凹坑周边以及上下游侧边墙。混凝土喷层破坏主要分布在上游侧顶拱。

（2）片帮在各种岩性中均有发育，角砾熔岩中比例略低，深度以10～50 cm为主，最深达100～200 cm。边墙破裂破坏在角砾熔岩中最发育，在隐晶质玄武岩中仅少量发育，深度以10～30 cm为主，最深50～80 cm。

（3）顶拱开挖分序方式及边墙保护层开挖质量均会影响岩体破坏的程度和范围。层间错动带C2下盘的隐晶质玄武岩破裂破坏面积占5.5%，根据数值分析及其他部位揭露情况，层间错动带C2下盘存在一定的应力集中，下游侧边墙后期开挖为破裂破坏防控的重要部位。

（4）本文是对左岸厂房高程578.9 m以上岩体高应力破坏的研究，可为工程后续洞室的岩体破坏防控提供参考。