猴子岩水电站地下厂房施工期围岩变形特征分析

2018-10-22雷英成，何刚

四川水力发电 2018年5期

雷英成，何刚

(四川中水成勘院工程物探检测有限公司，四川成都 610072)

0 引言

近年来，西南地区一大批超大型水电工程正在或即将开工建设，由于枢纽布置、施工等方面的需要，这些水电站大都采用地下厂房，因此必须开挖、修建、运行大型地下洞室群。然而，由于西南地区处于青藏高原东缘横断山系高山峡谷地区，河谷深切，天然地应力高且分布不均匀，同时岩体结构复杂，软弱结构面发育，岩体质量、施工周期及安全标准要求高，施工程序复杂、难度大，如二滩、锦屏、大岗山、长河坝、猴子岩等[1～4]，迫切需要解决大型地下洞室围岩稳定性及其控制等一系列问题，为工程建设和运行的安全提供保障。

猴子岩水电站地下厂房洞室群围岩质量较好，围岩类别以Ⅲ1，Ⅲ2类为主，局部为IV类，完整(较完整)岩体声波波速一般分布在5 000～6 200 m/s，实测最大主应力值36.43 MPa，围岩强度应力比Rb/m= 2～4，属于高地应力区。在开挖过程中，围岩变形出现了位移量级偏大、局部变形不收敛、锚头内陷、岩锚梁错位、混凝土喷层开裂以及岩体劈裂等围岩变形特征[5]。根据该地下厂房4个高程共32个孔的长观声波监测成果分析地下厂房开挖期围岩变形特征。研究成果表明：(1)未开挖时间段内围岩声波波速和卸荷松弛深度以没有明显变化为主；(2)开挖时间段内围岩岩体卸荷松弛深度多随逐层开挖由表及里增加、围岩声波波速多随逐层开挖由表及里衰减，表明猴子岩水电站地下厂房岩体变形以开挖后应力释放致岩体损伤以为主。

1 工程概况

猴子岩水电站地下厂房系统布置在右岸280 m～510 m山体内，房区岩性为白云质灰岩、变质灰岩，岩体中岩溶不发育，仅见个别溶隙，除断层带具较强透水性外，中陡倾裂隙一般透水性较弱。地下厂房区无区域断裂通过，据勘探平洞揭示，厂区上游侧发育一条规模较大的断层F1-1，产状N60°E / NW∠85°，主要由碎粒岩、碎粉岩组成，主错带宽1.0 m～1.5 m，碎粉岩带宽30 cm，断层影响带宽约20 m，断层处洞壁垮塌，地下水沿断层股状流出。其它结构面主要有次级小断层23条、挤压破碎带42条和节理裂隙6组。厂房部位岩体完整性总体为较完整～完整。

2 施工期围岩变形特征

长观声波是观测洞室围岩声波速度与围岩松弛深度随地下厂房开挖而变化发展情况。在猴子岩水电站地下厂房主机间共布置4个长观声波检测断面，其桩号分别为厂横0+008.80、厂横0+041.30、厂横0+073.80、厂横0+106.30(为避免长观声波检测孔与母线洞、压力管道等交叉，在地下厂房主机间每台机组中心线向山里侧平移10米)，每断面布置12个长观声波检测孔，上、下游边墙各6孔，自上而下分别位于1 718 m、1 711 m、1 704 m、1 697 m、1 690 m、1 683 m等高程，共计48个长观声波检测孔，其中岩壁吊车梁高程附近1 718 m、1 711 m高程4孔孔深20 m，其余孔深均15 m，方向水平下斜，如图1所示。

图1 地下厂房主机间长观声波检测孔位布置示意图

2.1 未开挖时段围岩变形特征

猴子岩水电站地下厂房围岩质量较好，围岩类别以Ⅲ1，Ⅲ2类为主，完整(较完整)岩体声波波速一般5 000 m/s～6 200 m/s不等。在未开挖时段，该水电站地下厂房1 718 m、1 711 m、1 704 m、1 697 m等4个高程共计32个长观声波孔在7天～60天时间段内共有26个长观声波孔围岩波速和松弛深度没有明显变化，所占比例为81.2%，其典型声波曲线如图2所示。其余6个长观声波孔围岩波速和松弛深度变化较小，围岩声波波速衰减一般小于10%，围岩松弛深度一般增加0.2～0.6 m不等，所占比例为18.8%。

图1为1 718 m、1 711 m、1 704 m、1 697 m四个高程典型长观孔未开挖时段内声波曲线成果图。其中图2(1)～(4)的曲线1和曲线2为造孔后第1次、第2次或第3次观测结果(1 d，14 d或28 d)，期间地下厂房未下挖，由曲线1和曲线2可以对比发现地下厂房未下挖时长观声波曲线变化幅度小；图2(1)的曲线3和曲线4是1 702 m～1 698 m高程段(第IV-1层)开挖后和1 698 m～1 694 m高程段(第IV-2层)开挖前长观声波曲线图，由曲线3和曲线4可以对比发现地下厂房未下挖时长观声波曲线变化幅度小。

2.2 开挖时段围岩变形特征

猴子岩水电站地下厂房在1 710 m～1 702 m高程段(第III层)、1 702 m～1 698 m高程段(第IV-1层)、1 698 m～1 694 m高程段(第IV-2层)等开挖时段内，完成1 718 m、1 711 m、1 704 m等3个高程共计18个长观声波孔(其中1 718 m高程8孔，1 711 m高程8孔，1 704 m高程2孔)观测工作，每个观测孔一般观测6～11次不等，一般每层开挖均进行了长观声波测试，为分析该水电站地下厂房围岩波速和松弛深度随开挖变形提供了第一手资料。依据长观声波成果，该水电站地下厂房在开挖阶段围岩变形主要分为急变型(所占比例78%)、缓变型(所占比例11%)、稳定型(所占比例11%)。

2.2.1 急变型

该水电站地下厂房开挖阶段急变型声波曲线如图3所示，其声波曲线典型特征为：1)岩体卸荷松弛深度随开挖成阶梯状由表及里增加；2)声波波速随开挖逐层由表及里衰减。在开挖阶段18个长观声波观测资料中，有14个观测孔具上述两个典型特征，所占比例为78%，主要集中在岩体条件稍差部位，如下游边墙厂横0+008、厂横0+041等。由图3可知，开挖后在1.85m处置处新增加一条张性裂隙，裂隙张开度约1.0 mm。

2.2.2 缓变型

猴子岩水电站地下厂房开挖阶段缓变型声波曲线如图4所示，其声波曲线典型特征为：1)开挖前、后岩体声波波形曲线形态上总体一致；2)个别孔段声波波速随开挖由表及里有一定衰减，衰减率一般小于15%(相对于初次测试)。在开挖阶段18个长观声波观测资料中，有2个观测孔具上述两个典型特征，所占比例为11%。

图2 未开挖时段围岩典型声波曲线

图3 开挖阶段急变型声波曲线

图4 开挖阶段缓变型声波曲线

图5 开挖阶段稳定型声波曲线

2.2.3 稳定型

该水电站地下厂房开挖阶段缓变型声波曲线如图5所示，其声波曲线典型特征为：1)开挖前、后岩体声波波形曲线形态上总体一致；2)声波波速随开挖衰减较少，衰减率一般小于5%。在开挖阶段18个长观声波观测资料中，有2个观测孔具上述两个典型特征，所占比例为11%。

2.3 监测资料验证

2.3.1 多点位移计监测

图6为该水电站地下厂房多点位移计典型曲线图。从图6可知：该水电站地下厂房多点位移计变化过程曲线多随开挖成层阶梯状变形，开挖时段内位移一般有突变，而未开挖期位移曲线一般平稳发展。根据王俤剀[5]统计，该水电站地下厂房洞室群绝大部分围岩变形过程呈现阶梯状发展，约占监测总量的83%，与长观声波统计结果基本一致。