青龍水電站引水隧洞花崗斑巖蝕變對圍巖穩(wěn)定性的影響

江國勇，姚鵬程，李劍鋒

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 工程概況

青龍水電站位于四川省阿壩州九寨溝縣境內，屬黑河-白水江干流水電規(guī)劃“一庫七級”開發(fā)方案中的第七級電站，利用落差約110m，裝機容量102MW。電站由首部樞紐、引水系統(tǒng)及廠區(qū)樞紐組成。引水隧洞為有壓隧洞，全長13.924 km，縱坡i=1.7‰。隧洞斷面型式為馬蹄形，開挖斷面尺寸(Ⅲ～Ⅴ類圍巖):底寬6.7～7.57m，高8.85 ～9.9m。

引水隧洞位于白水江左岸，隧洞穿越區(qū)山體雄厚，地形陡峻，較完整，發(fā)育木正溝、抹地溝、大壩溝、牧馬溝、梨兒溝5條沖溝，其中抹地溝切割深度大，常年流水，其余沖溝切割深度較小、縱坡降大。沿線分布有荷葉坡、魏家半山堆積體，其余地段多為基巖裸露?？碧浇沂竞扇~坡堆積體厚約120～270m，魏家半山堆積體厚60～180m。

2 基本地質條件

花崗斑巖侵入體主要分布于4～5#支洞(7+400～12+490，段長5090m)，該洞段水平埋深300～500m，垂直埋深300～700m。地表出露基巖地層以中厚層～厚層灰?guī)r與薄層～薄板狀灰?guī)r相間出露為主導，局部地段有2～5m寬花崗斑巖巖脈順層分布，地層總體產狀N25°～40°W/SW(NE)∠60°～80°。開挖揭露該段圍巖以花崗斑巖及花崗斑巖巖脈夾薄板狀灰?guī)r捕擄體為主，部分為極薄層灰?guī)r，少量為中厚層灰?guī)r?；◢彴邘r巖體中主要發(fā)育4組優(yōu)勢節(jié)理:①N35°～50°W/SW∠60°～75°，跡長一般為 2～3m，間距 0.3～0.6m，裂隙面較平直光滑，沿裂隙蝕變強烈，多張開并充填蝕變物，少數裂隙被石英充填膠結;②N60°～70°E/SE∠60°～80°，跡長一般為1 ～2m，間距0.3～0.5m，沿裂面弱 ～中等蝕變，較平直光滑;③N45°～55°E/SE∠60°～65°，跡長一般為1～2m，間距1～2m，裂面弱～中等蝕變、起伏光滑、微張;④EW/N∠20°～45°，跡長一般為 0.5 ～1m，間距為0.2 ～0.4m，結構面弱蝕變、粗糙起伏、微張。

段內地下水為基巖裂隙水、活動差異較大，7+400～9+400洞段地下水活動較強，以滲滴水為主，部分為滲流水及股狀水;11+190～12+490段段內地下水活動弱，部分滲滴水。

3 花崗斑巖蝕變對圍巖力學特性的影響

3.1 礦物組成與蝕變

3.1.1 巖石力學強度有較大程度降低

經對試驗成果進行分析得知，蝕變花崗斑巖的蝕變程度對巖石強度影響很大。微蝕變花崗斑巖的單軸抗壓強度為131.81～150.59MPa，抗拉強度為14.17 ～16.19MPa，屬極堅硬巖;弱蝕變花崗斑巖單軸抗壓強度為72.15～94.3MPa，抗拉強度為7.76～10.14MPa，其強度較微蝕變花崗斑巖降低42%，但仍屬堅硬巖;中等～強蝕變花崗斑巖巖體破碎，取樣困難，未進行試驗工作，該類巖石軟弱物質含量較高，巖石強度低，錘擊啞聲，屬軟巖類。

圖1 引水隧洞7+400～12+490段高程1245m花崗斑巖分布平切面圖

3.1.2 圍巖松弛圈明顯增大

經對現場試驗成果進行分析得知:花崗斑巖的蝕變程度不同對圍巖松弛圈、力學強度影響較大。微蝕變花崗斑巖巖體較完整，松弛圈深度多小于1m，平均波速2300m/s;弱蝕變花崗斑巖巖體完整性差，松弛圈深度一般為1～1.5m，平均波速1900m/s;中等～強蝕變花崗斑巖巖體破碎，松弛圈深度一般為2～2.5m，平均波速1600 m/s。

3.2 蝕變花崗斑巖圍巖類別

開挖揭示的花崗斑巖受構造改造強烈，巖體破碎～較破碎，并沿裂隙發(fā)生弱～中等蝕變，巖塊嵌合差，部分洞段地下水活動較強。根據《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》GB50287－2006中圍巖工程地質分類標準對蝕變花崗斑巖洞段圍巖進行分類評判，其成果表明(表1):地下水活動較弱的弱蝕變花崗斑巖段圍巖類別為Ⅳ類，地下水活動較強的弱蝕變花崗斑巖段及強蝕變花崗斑巖及蝕變破碎帶圍巖類別為Ⅴ類。

表1 蝕變花崗斑巖圍巖類別成果表

4 花崗斑巖蝕變對圍巖穩(wěn)定的影響及處理

開挖揭露的花崗斑巖(巖脈)發(fā)生非整體性蝕變，蝕變集中于裂隙面上，以弱～中等蝕變?yōu)橹?。由于裂隙發(fā)生“高嶺土化”現象較為普遍，其結果將不同程度地降低結構面抗剪強度及巖石強度，尤其是團塊狀“高嶺土化”現象的存在對隧洞圍巖的穩(wěn)定性影響較大。在隧洞開挖過程中，蝕變花崗斑巖圍巖常遇到的變形破壞形式為:塌落掉塊、圍巖變形及隧洞塌方。筆者就3種主要變形破壞形式的形成機理及主要處理敘述如下。

4.1 塌落掉塊及處理

蝕變花崗斑巖圍巖完整性差，巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育且相互切割，在隧洞頂拱及拱腰部位多形成楔形塊體及三角體。開挖爆破后圍巖松動，加之結構面蝕變后其抗剪強度低，巖塊在山巖壓力及楔形塊體自重應力作用下產生塌落掉塊現象。

此類型的塌落掉塊在該洞段較為普遍，雖對洞室圍巖的整體穩(wěn)定影響較小，但對施工安全產生了一定的隱患。故開挖后及時對圍巖噴射了厚10～15cm的混凝土進行封閉，有效地阻止了松動巖塊的進一步變形破壞。為保證施工安全，隨后進行掛網、立鋼拱架等強支護。

4.2 圍巖變形及處理

蝕變花崗斑巖巖體較破碎，且裂面蝕變較強，其抗剪強度低，圍巖自穩(wěn)能力差。洞室開挖后破壞了初始的地應力平衡狀態(tài)，引起應力重分布，促使圍巖向臨空面卸荷松弛，表現為沿蝕變裂隙面的變形錯動。該變形的時效性較短，圍巖不穩(wěn)定，故對此類圍巖一般采用短進尺、弱爆破、強支護的工程措施。支護方式為先噴混凝土封閉圍巖后、掛網、立鋼拱架支撐、再噴混凝土封閉鋼拱架及鋼筋網。在完成初期支護后，選取典型洞段進行收斂變形觀測。

此類圍巖在初期支護后，部分洞段變形進一步擴展，造成初期支護不同程度的開裂、鼓包、變形錯位并在一定程度上侵占設計斷面。根據收斂變形數據及現場調查結果得知，其變形較大部位主要集中在拱腰及鋼拱架連接處，少量鋼拱架連接處被扭曲或剪斷錯位。為確保圍巖穩(wěn)定和施工安全，對變形段進行了二次加固補強處理，首先對變形段先期進行預固結灌漿后，再置換變形的鋼拱架，噴混凝土并增加拱架鎖固錨桿。對變形尚未趨于穩(wěn)定的巖體，及時采取澆筑混凝土進行襯砌，從而有效地保證了圍巖的穩(wěn)定。工程實踐證明，通過采取一系列工程處理措施，有效地阻止了圍巖變形的進一步擴展。

4.3 隧洞塌方及處理

蝕變花崗斑巖(巖脈)洞段內，少量強蝕變集中發(fā)育在拱腰及頂拱集中出露處，由于其巖體結構破碎，圍巖極不穩(wěn)定，開挖后立即發(fā)生坍塌;花崗斑巖夾薄板狀灰?guī)r捕擄體間的接觸面及花崗斑巖中蝕變裂隙密集帶巖體較破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，開挖后易沿其接觸面及蝕變結構面變形錯動，如遇地下水活動強烈，開挖后(約1～2d)發(fā)生坍塌;該類塌方規(guī)模較小，但因其地下水活動強烈，在地下水的進一步作用下，引起周圍巖體失穩(wěn)，從而造成較大規(guī)模的塌方;另外一類塌方是開挖后經及時有效的初期支護手段，圍巖尚能基本保持穩(wěn)定，但在圍巖后期的持續(xù)變形擴展作用下，初期支護結構逐漸被破壞，從而發(fā)生規(guī)模性塌方，此類塌方規(guī)模及破壞性極大，對施工安全及工程進度影響極大。

根據塌方規(guī)模及不同的塌方情況，分別采取了以下處理措施:(1)對于規(guī)模較小的塌方，待塌方穩(wěn)定后，采取先噴混凝土封閉塌方臨空面，再進行鋼拱架、系統(tǒng)錨桿支護，對部分塌方體較高處輔以副拱支護。(2)對于規(guī)模較大但頂拱塌方空腔出露的塌方，待塌方穩(wěn)定后，先采取噴混凝土封閉塌方臨空面再出渣，并及時進行鋼拱架、系統(tǒng)錨桿支護。(3)對于規(guī)模較大且頂拱封閉的塌方，待塌方穩(wěn)定后，先對拱頂120°范圍打超前小導管，并對塌方渣體進行預灌漿固結，邊墻部位增加長錨桿進行加固，再遵循短進尺的原則開挖塌方體，并及時采用小間距鋼拱架、系統(tǒng)錨桿支護。塌方處理完畢，及時進行混凝土澆筑。

5 結語

青龍水電站引水隧洞揭示的花崗斑巖在特定的地質時期發(fā)生了蝕變、風化現象，導致其物理力學性質弱化、降低，通過對其蝕變、風化機理的研究，認識到花崗斑巖因蝕變、風化而不同程度地導致洞室圍巖的工程地質分類等級降低，通過采取系列技術手段，分析研究了蝕變花崗斑巖對洞室圍巖穩(wěn)定性的影響，實施了適當的加固防護措施，有效地保證了施工安全、洞室穩(wěn)定，提供了良好的工程地質專業(yè)服務。