澜沧江某地下洞室高地应力特征及围岩稳定预测研究

李鹏飞，吴述彧，周红喜，陈鸿杰，赵建军

(1.中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司, 贵州 贵阳 550081;2.华能澜沧江水电股份有限公司， 云南 昆明 650214；3.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学), 四川 成都 610059)

我国水资源丰富，装机蕴藏量6.9×108kW是世界首位[1]，西南地区的金沙江、雅砻江、大渡河、澜沧江等梯级电站的开发正在进行，目前已建成了二滩、锦屏一级、锦屏二级、官地、向家坝、溪洛渡、小湾、糯扎渡等多个大型水电工程，揭示了一系列的深部裂缝[2]、高地应力[3-5]等工程地质现象和问题。然而，目前西南地区水电工程完建和在建工程多集中在四川和云南地带，在水能资源丰富的西藏地区完建和在建工程均较少，而西藏恰是我国地质条件最为复杂、地质灾害最为发育的地区，笔者在澜沧江西藏段多年勘察工作显示，该地区存在以下几个特点：河谷多深切狭窄，谷坡陡峻，岩性复杂多样，地应力高，岸坡浅表岩体破碎松动，稳定性较差。受制于狭窄地形，拟建的几个大型工程发电厂房均布置于地下，存在高地应力问题，经过二滩、锦屏一级等工程实践，在这种地应力条件下，围岩稳定问题较东部地区更为突出，只有在勘察期间进行深入工程地质分析，提前预测可能存在的工程地质问题，合理的选择支护形式及支护时机，方能在施工期处理时占据主动地位。

本文以西藏澜沧江某大型水电站工程为例，在查明厂房区工程地质条件的基础上，深入分析了地下厂房前期勘察中揭示的高地应力现象及可能存在的工程地质问题，预测了围岩的破坏形式，可有效的指导地下厂房工程设计及施工建设。

1 拟建工程地质概况

1.1 工程概况

拟建水电站位于西藏自治区芒康县境内，是澜沧江上游河段唯一的“龙头”水库，最大坝高315 m，推荐坝型为砾石土心墙堆石坝，电站装机容量2 100 MW(4×525 MW)。

地下洞室布置于中坝址右岸山体内，采取地下厂房、主变洞、尾调室三大洞室平行布置的方式，垂直埋深330 m～585 m。初拟轴线为N45°E。地下厂房由主厂房和副厂房组成，开挖尺寸为210.65 m×25.30 m×72.30 m,主变洞位于主厂房下游侧46 m，开挖尺寸为157.50 m×18.50 m×37.30 m,四机四洞调压井长度约为110 m，井筒断面尺寸为110 m×15 m。

1.2 地下厂房区地质条件

地下厂房区揭露地层为三叠系中统竹卡组英安岩，局部为侵入体，侵入体以辉绿岩脉为主，少量为煌斑岩脉。主要侵入体分布见图1，辉绿岩脉分布共33条，走向以NNW为主，与初拟厂房纵轴线近乎大角度相交，陡倾，宽度多在0.2 m～0.5 m，局部可达3 m，与英安岩呈硬性接触，局部见裂隙分布。而煌斑岩脉共分布5条，走向以NEE为主，与初拟厂房轴线小角度相交，陡倾，宽度达0.3 m～6.0 m。根据试验资料，英安岩、辉绿岩饱和抗压强度在65 MPa～75 MPa，煌斑岩脉强度较差，30 MPa左右。

图1 厂房区岩脉展布图(平切图高程2 650 m)

厂房区以Ⅳ级、Ⅴ级结构面为主，Ⅳ级结构面主要为平硐揭示的小断层。对地下厂房区主支勘探平硐进行小断层统计，共发育小断层58条，其等密图如图2所示，各组小断层倾角均大于60°，倾向以SW为主，走向上以NNW和NWW为主，其中N40°～90°W/SW∠62°～84°最为集中发育。Ⅴ级结构面主要为平硐揭露的一般节理裂隙。四个平硐共揭露一般节理裂隙4 000余条，这些节理裂隙多呈闭合状态，洞内长度一般在0.5 m～10.0 m之间，对其进行统计，如图3所示，该区域共发育节理裂隙四组，其中缓倾角结构面一组，与地表揭示基本一致，N15°～43°E，SE∠12°～28°，连通率在0.12左右，延续性差，对围岩稳定影响较小。其余三组陡倾角结构面基本上主要以NWW、NEE、SN走向为主。

图2 地下厂房区小断层等密图

图3 地下厂房区平硐节理等密图

水文地质上，地下厂房全部位于地下水位以下，地下水位高出厂房顶150 m左右，平硐揭示厂房区地下水活动较弱，局部断层带有滴水现象，钻孔揭示岩体透水率在1.0 Lu左右，属弱～微透水岩体。据平硐洞口实测主支勘探平硐洞口出水约3 L/s。

RMR及水电工程HC围岩分类显示，因裂隙发育，厂房区总体为Ⅲ1类，少量Ⅱ类，煌斑岩脉处为Ⅳ类，洞室整体稳定性较好。

2 地应力特征及影响分析

2.1 地应力特征

(1) 勘探工程揭示的地应力现象及分析。坝址右岸厂房勘探平硐PDZ06平硐大体上与岸坡垂直(NNE向布置)，并以N45°E分别布置了三个支洞，以了解主厂房等三大洞室工程地质条件，这些勘探平硐揭示，地下厂房区总体处于微新英安岩内，地下水活动较弱，岩体多呈镶嵌状结构，但更为重要的是在勘探平硐深部揭示了一些高地应力的典型现象，如岩体剥落和顶拱片帮等。

图4表示了中坝址右岸PDZ06平洞190 m左右出现的顶拱片帮现象，片帮破坏坑深度超过30 cm，破坏岩体呈薄板状，破坏坑顶部中间线清晰可见，两侧板状面倾向相反，破坏程度强于锦屏一级厂房平硐，但弱于白鹤滩右岸厂房平硐强片帮位置。总体而言，破坏坑形态特征揭示了平硐横断面上最大、最小主应力比值相对较高的特征，其比值应在2.0以上。

同时，在厂房平硐NEE向支洞PDZ06-1内，可见到右侧边墙岩体发生了明显的剥离现象，如图5所示，呈现明显的弧形破坏，破坏的深度在3 cm～5 cm之间，洞内可见高度2 m左右，据笔者仔细观察，这些破坏不是沿已有裂隙产生的破坏，应是应力调整引起的破损。

图4 中坝址右岸PDZ06内顶拱片帮现象(面向洞底)

(a) 远观图 (b) 近观图

此外，在PDZ06-2平硐230 m～238 m见煌斑岩脉分布，自右壁延伸至掌子面，洞内长约8 m，右壁最宽约3 m，顶拱部位宽约1.5 m，可见疑似地应力造成的薄片状及弯曲现象，如图6所示，且顶拱部位已见大量垮塌，堆积于平硐底部。可能的原因是一煌斑岩脉岩石强度低，完整性差，自稳能力较差，产生垮塌；二是开挖卸荷引起应力调整，受高地应力作用产生较大变形，进而垮塌。笔者认为后者是煌斑岩脉在洞内垮塌的主要原因。

图6 煌斑岩脉弯曲变形

(2) 地应力测试成果分析。地下厂房勘探工程完成以前，工程区内已进行了一些地应力测试试验，揭示了地下厂房区可能存在高地应力，为此在地下厂房勘探平硐完成后，为直观的了解地下厂房区地应力量级及大小，在平硐内进行了地应力测试四组，其中孔径变形法2组，钻孔水压致裂法2组。

孔径变形法试验成果分别如表1所示，最大主应力为25.4 MPa～28.3 MPa，中间主应力为17.1 MPa～18.3 MPa，最小主应力8.0 MPa～9.6 MPa，最大主应力方向为N16°～31°E，揭示了地下厂房区总体存在高地应力问题。

表1 平硐PDZ06、PDZ06-1内孔径变形法地应力测试成果

水压致裂法测点主要布置在主厂房及调压井部位，自平硐内2 651 m高程钻进，实测地应力成果如图7所示。

将地下厂房区各测试点标识于图上，如图8所示。根据地应力测试成果，厂房区最大主应力量值在23 MPa～28 MPa, 最大主应力方向在N16°～42°E，集中于N26.7°～34.7°E之间，为方便进行设计及利于后续的地下厂房纵轴线拟定，综合确定厂房区最大主应力方向为N30°E。

图7 厂房区实测地应力值统计分析

2.2 高地应力对地下厂房区工程影响对比研究

地下洞室开挖之前，本身处于一个相对平衡的状态，受开挖扰动后，造成应力重新分布，可能会引发变形，甚至是破坏，局部可能产生岩爆、大规模片帮等现象[6]，考虑到本工程地下洞室群规模巨大，大断面、高边墙的特点，有必要对开挖后，高地应力可能产生的工程影响进行研究。

图8 地下厂房区勘探平硐布置及地应力测点、最大主应力方向及大小分布图

对国内已建深埋地下洞室揭示的高地应力现象进行总结，如表2所示，雅砻江锦屏一级、官地、二滩、金沙江白鹤滩水电站、猴子岩、瀑布沟等地下厂房工程地质条件基本与本工程相似，总结以下几个工程特点，其在施工期的围岩稳定方面均有以下几点共识：

(1) 施工期出现片帮及剥落掉块，导致喷层脱开，几乎成为了高地应力区地下厂房的主要问题。

(2) 围岩的变形主要集中在高边墙部位，变形量可达50 mm～130 mm，边墙松弛的深度可以达到10 m左右，其中主厂房因为开挖较高，其变形及松弛的范围最强。

(3) 地下厂房的变形，基本上以应力变形为主，结构面对其有一定的促进作用，往往在有小断层的部位，变形更显著。

(4) 强度应力比小于4时，地应力引起的变形也更显著。

考虑到本工程地下厂房条件，与表2所列的官地、猴子岩、锦屏一级地下厂房地应力条件更为相似，认为在本工程地下厂房开挖时，高地应力引起的围岩稳定问题需重点关注，地下厂房围岩破坏类型主要以片帮、剥落掉块、弯折内鼓为主，高边墙的变形量应在100 mm左右，围岩松弛的深度可能在10 m左右，尤其需重视洞室交叉部位的围岩稳定问题，及薄弱岩脉和性状小断层对变形的促进作用。且考虑到地应力引起的变形可能具有一定的滞后性，应研究合适的支护时机和支护型式。此外考虑到地下洞室群之间有煌斑岩脉分布，其性状较差，在施工过程中应特别注意加强岩柱部位支护处理。

表2 高地应力条件下厂房施工期变形特征

3 地下厂房围岩稳定预测研究

采用数值分析方法对三大洞室围岩稳定性条件开展综合评估是有效手段[7-15]，模型构建考虑初始应力场及岩脉、小断层的影响。模型尺寸为360 m×340 m×290 m，计算参数如表3—表5所示，对于辉绿岩脉，暂时保守选取和小断层一致的参数，这一处理方式倾向于对围岩稳定性性质的保守估计。计算本构采取Hoek-Brown准则，地应力采用实测地应力，最大主应力方向N30°E。主要分10步开挖，开挖分步如图9所示。

表3 英安岩Hoek-Brown参数(峰值/残余)

表4 煌斑岩参数表

表5 结构面力学参数表

图9 开挖步骤图

以主厂房为代表进行阐述，其开挖后应力调整如图10所示，可以看出以下特点：

(1) 主厂房围岩应力集中部位主要分布在两侧拱肩、机隔墩及其洞室结构形态突变部位，其中以底部一带的影响范围相对更大一些，应力水平可达到60 MPa左右，可能形成低—中等程度的应力型破坏。

(2) 在厂房开挖完成以后，高边墙一带开挖应力响应方式总体以松弛为主。在厂房分步开挖过程中，位于分层开挖底部拱脚一带的围岩，会经历应力集中，形成先集中、再松弛的复杂变化过程。

(3) 小范围中等程度的围岩高应力破坏往往表现为表层岩体的开裂，形成板状或片状破坏现象，并随时间扩展而可能出现剥落。这种破坏不足以对工程施工安全造成影响。

(4) 主厂房围岩应力总体维持顶拱、建筑结构拐角等部位应力集中，高边墙应力松弛显著的工程特点，这与白鹤滩、锦屏等工程基本是一致的。

围岩变形方面，主厂房开挖变形如图11所示，各工程部位的变形情况汇总如表6所示，顶拱变形量5 mm～40 mm，高边墙的变形量较顶拱突出，其中小断层和煌斑岩脉部位更为突出，最大可达250 mm。施工过程中应做好边墙变形控制措施。

图10 考虑断层、岩脉条件下，主厂房围岩最大主应力分布特征

图11 考虑小断层、岩脉分布条件下，主厂房两侧边墙围岩变形整体分布特征

4 结 论

(1) 在详细地质勘察的基础上，查明了电站地下厂房区基本地质条件，其最大主应力大于20 MPa，属高地应力。

表6 三大洞室围岩变形稳定性计算成果汇总表

(2) 采用工程地质类比法，分析了高地应力对地下厂房的工程影响，认为片帮剥落可能是开挖期主要的问题，局部的变形量可能在100 mm以上。

(3) 进行了数值计算分析，预测了厂房开挖后应力重分布特征及变形情况，认为围岩应力总体维持顶拱、建筑结构拐角等部位应力集中，高边墙应力松弛显著的工程特点，这与白鹤滩、锦屏等工程基本是一致的；顶拱变形量5 mm～40 mm，高边墙的变形量较顶拱突出，其中小断层和煌斑岩脉部位更为突出，最大可达250 mm。施工过程中应做好边墙变形控制措施。