大岗山水电站地下洞室群围岩稳定性评价

2018-07-03吴灌洲徐敬武

水电站设计 2018年2期

吴灌洲，徐敬武

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

1 工程概况

大岗山水电站是大渡河干流水电规划24级方案的第14个梯级水电站，电站总装机容量2 600 MW，年发电量114.5亿kW·h。主要建筑物有混凝土双曲拱坝、引水发电建筑物、泄洪洞工程等，地下厂房系统分主副厂房及安装间、主变室和尾水调压室三部分，其中主、副厂房呈直线布置，轴线方向为N55°E，主变室和尾水调压室与主厂房平行布置，岩墙厚度约47.50 m(见图1)。

图1 地下厂房洞室平面布置示意(单位：m)

2 厂房区基本地质条件

大岗山地下厂房区域开挖揭露的岩性主要为微红色中粒黑云二长花岗岩及穿插其间的辉绿岩脉；共揭示辉绿岩脉11条，其中β80、β81规模较大。其中，β80辉绿岩脉总体产状呈N15°E/NW∠50°～N25°W/SW∠65°，贯通于主厂房顶拱、上下游边墙和副厂房右侧端墙，局部夹有花岗岩透镜体，断层式接触；沿岩脉上界面发育f57断层，下界面发育f58断层，脉体呈碎裂结构；β81辉绿岩脉产状总体呈N15°～20°W/SW∠70°～80°，贯穿于三大洞室的顶拱和上下游边墙，断层式接触，上界面发育断层f59，下界面发育断层f60，脉体呈块裂-镶嵌结构。

地下厂房开挖共揭示13条断层，断层主要沿辉绿岩脉脉岩或花岗岩体内结构面发育，断层破碎带宽度一般10～30 cm，主要由片状岩、碎粉岩、碎裂岩组成，其中Ⅲ级结构面有5条，Ⅳ级结构面有8条。

厂房区域开挖揭示顶拱、边墙、端墙总体潮湿，局部渗滴水，其中副厂房及4号机组一带沿β80辉绿岩脉地下水较丰富，普遍渗、滴水，局部呈线状滴水。

地应力总体以中等应力为主，开挖未见高地应力现象。

厂房区域开挖揭露的地质条件表明，地下厂房围岩以Ⅲ～Ⅱ类为主，占90%以上，局部洞段的辉绿岩脉条带及其影响带为Ⅳ～Ⅴ类围岩。

3 影响地下洞室围岩稳定的因素

3.1 地形条件

地下厂房区域地表自然坡度一般为38°～65°，谷坡高陡，基岩裸露，地形较为完整。地下厂房区域三大洞室水平埋深310～530 m，垂直埋深390～520 m，上覆岩体足以保持洞室顶拱的稳定。

3.2 地层岩性

地下厂房区地层岩性主要为微红色中粒黑云二长花岗岩，局部出露辉绿岩脉，主要有β80、β81等，岩体较完整，稳定性较好。

3.3 地质构造

地下厂房区未揭露区域性断裂，地质构造主要为沿脉岩发育的挤压破碎带、断层和节理裂隙，断层主要有f56～f60等，一般为Ⅳ级结构面。岩体主要发育5组裂隙：①近SN/E∠60°～80°；②N10°～30°W/SW∠65°～75°；③N15°～30°E/NW∠60°～70°；④近EW/N(或S)∠70°～85°；⑤缓倾角结构面，近SN /E∠17°～26°。总体上最发育的为近SN向陡倾角结构面，局部洞段发育第⑤组缓倾角裂隙。

Ⅲ级结构面对围岩完整性的影响程度有限，一般仅限于断层两侧数米范围之内，Ⅳ级结构面岩体结构类型则主要受其发育程度影响。

对于厂房区域地下洞室群，Ⅲ、Ⅳ级结构面一般不构成特定的不利块体。由随机结构面与Ⅲ、Ⅳ级结构面组合形成的半确定块体，需具体分析其稳定性；随机分布的一般裂隙结构面形成的不确定块体，对洞室围岩稳定性的影响也仅限于局部范围之内。

考虑到Ⅲ、Ⅳ级结构面对洞室围岩稳定性影响较大，布置水工建筑时，尽量与Ⅲ、Ⅳ级结构面走向有较大夹角。厂房三大洞室轴线方向均为N55°E，与该区域内Ⅲ、Ⅳ级结构面的主要发育方向(近SN向)的夹角大于45°，总体上对洞室围岩稳定较为有利。

3.4 风化卸荷

地下厂房洞室群均布置于微风化至新鲜花岗岩体内，岩体风化对洞室围岩稳定性的影响基本可以忽略；强卸荷水平深度一般5～30 m；弱卸荷水平深度一般30～60 m，但厂区地下洞室群的水平埋深超过300 m，已完全避开岸坡卸荷带，因此岩体卸荷对围岩稳定性的影响甚微。

3.5 地下水

地下厂房区域地下水主要有基岩裂隙潜水、基岩裂隙承压水两种类型。地下水对围岩稳定性的影响与围岩特性有关，一般坚硬完整的岩石受地下水的影响较小，而软弱破碎的岩体受地下水的影响较大。厂房区地下洞室群围岩多新鲜完整，地下水的水头高度约100 m，地下水对围岩稳定性影响是局部性的，主要是对Ⅲ级结构面的软化、泥化、冲刷、淘蚀作用，及对Ⅳ级结构面和Ⅳ、Ⅴ类围岩的软化、泥化作用。

3.6 地应力

大岗山工程枢纽区应力环境较为复杂，实测厂房区地下洞室群地应力量值σ1=11.37～19.28 MPa，平均值约14.5 MPa，故总体以中等应力为主，局部偏高，厂区实测最大主应力方向NE18.15°～60.95°。最大主应力方向与厂方轴线夹角较小，因此，厂区地应力分布对围岩稳定较为有利。

3.7 地下厂房洞室群围岩类别

对地下厂房区域三大洞室而言，其在岩性、构造、岩体风化程度和地下水等方面并无太大差异，对洞室边墙及顶拱不同部位围岩稳定性产生影响的主要因素是各级结构面的发育情况及规模和性状。一般情况下，辉绿岩脉破碎带及其影响带、裂隙密集带多为Ⅳ类或Ⅴ类围岩，洞室围岩不稳定～极不稳定；花岗岩体一般为Ⅱ类或Ⅲ类，围岩稳定～局部稳定性差。开挖揭示地质条件表明，厂房区域Ⅱ类围岩占25%，Ⅲ类围岩占67%，Ⅳ类围岩占6%，Ⅴ类围岩占2%。

4 地下厂房洞室群围岩稳定性评价

4.1 开挖过程中的应力、位移及塑性圈变化特征模拟分析

根据实际地形特征和地层分布，以及现场施工开挖方案，在三大洞室分别选取代表性断面建立数值计算网格(见图2)。为了研究分层开挖洞周变形特征，根据分层施工方案，并结合现场位移监测布置情况，分别在模型断面上选取相应的关键点予以变形观测，通过现场位移监测和数值模拟对比分析反映洞室周边位移的变化情况。对于模型参数的选取，参照厂区的岩体试验成果，并结合基于位移反分析推算得到的岩体强度参数使用。

图2 主厂房1、3号机组对应断面数值模拟

数值模拟分析得知，随着分层开挖向下推进，洞周应力不断释放，顶拱和底板局部出现拉应力，但量值不大；开挖后在上下游边墙部位出现一定程度的应力集中现象，上下游边墙数值不等，局部出现的辉绿岩脉及影响带，导致局部出现一定的应力集中现象。同时，伴随开挖进行，洞周主应力方向发生一定偏转，原最大主应力方向由垂直向转为沿洞周轮廓方向环流状态分布，且随着开挖向下推进，应力场不断发生调整变化，围岩径向应力释放，环向应力增加，且顶拱拱座、上下游边墙拐角处、岩锚梁等几何突变部位产生应力集中，存在有较大压应力值(见图3)。

图3 主厂房1、3号机组模拟开挖应力变化

由模拟断面关键点随开挖位移变化统计表明，在施加支护后，随着应力的不断释放，开挖后洞周位移朝向开挖临空面，其中拱顶下沉，位移范围为1.3～3.3 cm，拱脚关键点和上下游边墙关键点在开挖过程中的位移量从0.3 cm到5.1 cm不等，其中偏移较大的测点是靠近辉绿岩脉附近。模拟过程中能看出关键点的位移变化稳步增长。只要做到及时支护，随着开挖的继续位移变形基本趋于平稳，最终位移均在变形允许的范围内，说明开挖后及时支护效果良好(见图4)。

围岩塑性区的范围及分布特征是地下洞室围岩稳定性状况和开挖质量衡量的重要指标之一。通过判断围岩塑性区的范围，可以校核支护设计方案的有效性和合理性，为优化支护设计方案提供科学依据。模拟过程中发现，塑性区岩体以剪切屈服为主，局部为拉裂破坏。随开挖进行，顶拱即形成向岩体内延伸的塑性区，且随着向下开挖不断变大，但增幅不断变小，最后趋于稳定，最终在顶拱形成厚度为6.75～13.53 m的塑性区，边墙上的塑性区范围达9.7～18.3 m，局部数值较小，分析认为与辉绿岩脉对周围岩体塑性区的扩展和贯通起阻断效应(见图5)。

图5 主厂房1、3号机组模拟开挖后塑性区

4.2 块体稳定性分析

地下厂房三大洞室围岩整体稳定性较好，但跨度大(30.8 m)，边墙直立高陡(66 m)，受岩体内特定结构面和随机结构面切割组合影响，局部形成潜在不稳定块体。根据开挖揭示地质资料，通过各结构面空间延伸状况，运用解析几何和块体理论的方法，搜索洞室围岩中可能存在的潜在不稳定块体，并进行稳定性分析。

对于顶拱块体组合特征的评价，根据各洞段优势节理组合，加之对应的确定性结构面参与组合，得出各段参与组合的结构面，经Unwedge程序搜索与计算得出块体相应的特征指标。分析表明：主厂房顶拱围岩局部稳定状况较好，开挖过程中需注意确定性结构面发育部位围岩的稳定性。

对于边墙块体组合特征的评价，根据各部位优势节理组合，加之对应的确定性结构面参与组合，通过块体理论对主厂房围岩稳定性予以分析，结果表明，辉绿岩脉和断层等确定性结构面的组合在三大洞室上、下游边墙没有形成较大规模的确定性可动块体，但局部存在断层和辉绿岩脉与随机性结构面组合形成的潜在不稳定块体，其余为随机性结构面形成的随机潜在失稳块体。

此外，由于辉绿岩脉本身较为破碎，在较大规模的辉绿岩脉发育处可能出现岩脉碎块松动溃散失稳现象。同时，开挖揭露地质条件表明，NNE向陡倾角结构面对边墙稳定产生较大影响。

4.3 开挖过程中围岩松动圈检测

由声波传播的原理可知，当围岩是同一种岩性时，在波速降低的地方，围岩较松动，或者围岩中裂隙较多。洞室开挖会导致围岩的应力重分布，导致洞室周围产生塑性的松动圈，松动圈中会因为发生了塑性变形产生较多的裂隙，导致围岩容易松动。

三大洞室开挖过程中，分别在各洞室代表性断面上布置了松动圈检测孔，通过对钻孔内岩体的声波测试成果，判断岩体是否松弛，并结合钻孔岩心和钻孔全景摄像资料予以辅助判别。检测结果表明，三大洞室顶拱的围岩松动范围介于2.4～5.2 m，上下游边墙围岩松动范围介于1.0～3.8 m。表明三大洞室部位岩体质量总体较好，除局部特殊洞段外，围岩完整性较好，围岩松弛深度相对较小，普遍在1.0～5.2 m范围内，最大值产生在主厂房厂(横)0+50.9 m的顶拱部位，分析认为与厂房跨度大，开挖后应力释放和支护及时程度有关；其它靠近岩锚梁部位的检测点，检测松动范围明显偏小，多为1～3 m，分析认为，这与岩锚梁部位开挖采用了专门的开挖支护措施有关；同时，测试表明爆破开挖对厂房岩锚梁部位围岩松动的影响得到有效控制。另外，虽然实测的围岩松动圈成果与数值模拟成果相比，数值上有差距；但分析认为，在目前的模型概化精度基础上，得出的结论仍具有较好的指导性(见图6)。