高地應(yīng)力條件下錦屏一級(jí)水電站地下廠房圍巖變形破壞特征研究

陳長(zhǎng)江，劉忠緒，劉建友

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都　610072; 2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京　100029)

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高地應(yīng)力條件下錦屏一級(jí)水電站地下廠房圍巖變形破壞特征研究

陳長(zhǎng)江1，劉忠緒1，劉建友2

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610072; 2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029)

錦屏一級(jí)水電站工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜，其中高地應(yīng)力引起的圍巖變形破壞是電站地下廠房最主要的工程地質(zhì)問(wèn)題，高地應(yīng)力對(duì)相對(duì)低強(qiáng)度巖體的破壞超出了現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知。本文主要介紹錦屏一級(jí)水電地下廠房開(kāi)挖期圍巖變形破壞現(xiàn)象，結(jié)合地質(zhì)編錄、物探檢測(cè)、監(jiān)測(cè)等資料，總結(jié)地下廠房洞室群圍巖變形開(kāi)裂特征及發(fā)展過(guò)程。地下廠房洞室群圍巖變形破壞機(jī)理復(fù)雜，與巖體強(qiáng)度、應(yīng)力場(chǎng)分布、巖體工程地質(zhì)特性、洞室群規(guī)模和形狀、開(kāi)挖方式、支護(hù)時(shí)機(jī)和強(qiáng)度等多種因素有關(guān)。找出變形開(kāi)裂的規(guī)律和原因，確定變形破壞范圍，對(duì)下一步工程的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工具有十分重要的意義，也可為類(lèi)似高地應(yīng)力區(qū)大型地下洞室工程的施工及設(shè)計(jì)提供參考。

錦屏一級(jí)水電站；地下廠房洞室群；地應(yīng)力；變形破壞；成因機(jī)理分析

0　前　　言

錦屏一級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣和鹽源縣交界處的雅礱江大河灣干流河段上，是雅礱江干流下游河段的控制性水庫(kù)梯級(jí)電站。壩址位于普斯羅溝與手爬溝間1.5 km長(zhǎng)的河段上，河流流向約N25°E，河道順直而狹窄。電站總裝機(jī)容量3 600 MW，年發(fā)電量166.20 億kW·h。最大壩高305 m，為目前建成的世界第一高拱壩。地下廠房位于大壩下游約350 m的山體內(nèi)，水平埋深約110～300 m，垂直埋深約180～350 m。地下廠區(qū)洞室群規(guī)模巨大，長(zhǎng)276.99 m，吊車(chē)梁以上開(kāi)挖跨度28.90 m，吊車(chē)梁以下開(kāi)挖跨度25.60 m，開(kāi)挖高度68.80 m。主變室位于主廠房下游，長(zhǎng)197.10 m，寬19.30 m，高32.70 m，廠房和主變室之間的巖柱厚度為45 m。洞形為圓拱直墻型。尾水調(diào)壓室采用“三機(jī)一室一洞”布置型式，設(shè)置兩個(gè)圓型調(diào)壓室，直徑(上室)分別為37.00 m、41.00 m，高度分別為80.50 m、79.50 m；兩調(diào)壓室中心線相距95.1 m。廠區(qū)主要建筑物布置見(jiàn)圖1。

構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力疊加，導(dǎo)致錦屏一級(jí)地下廠區(qū)初始地應(yīng)力量級(jí)高，最大主應(yīng)力一般20～30 MPa，最高37.5 MPa。由于復(fù)雜的洞室結(jié)構(gòu)、超高應(yīng)力、較低的巖石強(qiáng)度等因素的影響，開(kāi)挖期廠房圍巖出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的片幫、劈裂、剪切滑移等破壞，即使在系統(tǒng)支護(hù)后圍巖破壞仍在發(fā)展，噴層嚴(yán)重開(kāi)裂、巖體破裂，圍巖松弛深度大，不得不進(jìn)一步加大了支護(hù)。本文通過(guò)綜合分析現(xiàn)場(chǎng)施工地質(zhì)編錄、物探檢測(cè)以及變形監(jiān)測(cè)資料，總結(jié)錦屏一級(jí)水電站廠房圍巖變形破壞的特征，并討論圍巖變形破壞的形成機(jī)制，為今后其它高地應(yīng)力條件下大型地下洞室穩(wěn)定性研究、施工開(kāi)挖方式研究及支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

圖1　廠區(qū)主要建筑物布置三維示意

1　地下廠區(qū)基本地質(zhì)條件

1.1地層巖性

廠區(qū)洞室群置于三疊系中上統(tǒng)雜谷腦組第二段第2、3、4層大理巖內(nèi)(見(jiàn)圖2)，第2層既有中～厚層狀大理巖，又有薄層狀大理巖，夾順層綠片巖，中硬與堅(jiān)硬巖相間分布;第3層以條紋狀大理巖、同色角礫狀大理巖為主，夾極少量薄層綠片巖，巖體多呈厚層～塊狀結(jié)構(gòu);第4層巖性為雜色角礫狀大理巖、灰白色大理巖，零星分布透鏡狀綠片巖。分布有一條后期侵入少量云斜煌斑巖脈(X)，一般寬2～4 m，總體產(chǎn)狀N60°～80°E/SE∠70°～80°，廠區(qū)煌斑巖脈明顯有斷層錯(cuò)動(dòng)跡象，脈體一般破碎，自穩(wěn)能力差。

圖2　錦屏一級(jí)地下廠房工程地質(zhì)縱剖面示意

1.2地質(zhì)構(gòu)造

地下廠房發(fā)育有NE向的f13、f14、f18等斷層，f13斷層斜穿過(guò)廠房安裝間部位，斷層帶起伏，總體產(chǎn)狀N60°～70°E/SE∠60°～80°，走向與廠房洞軸線夾角約50°，主錯(cuò)帶寬1～2 m，最寬達(dá)3 m，主要由碎裂巖、角礫巖、糜棱巖構(gòu)成；f14斷層大角度穿過(guò)主廠房、主變室，產(chǎn)狀N60°～70°E/SE∠70°～80°，破碎帶寬度0.2～3.5 m不等，上下盤(pán)影響帶寬度一般3～5 m，局部影響范圍則近20 m，風(fēng)化較強(qiáng)，巖體呈黃色；f18斷層沿煌斑巖脈與大理巖接觸面發(fā)育，大角度穿過(guò)副廠房、主變室，產(chǎn)狀N70°E /SE∠70°～80°，帶寬20～40 cm，主要由灰黑色糜棱巖、角礫巖組成。

優(yōu)勢(shì)裂隙主要發(fā)育有4組：(1)N30°～60°E，NW∠30°～40°，層面裂隙，主要分布于大理巖第2層內(nèi)；

(2)N50°～70°E/SE∠60°～80°，地下廠區(qū)均有發(fā)育；

(3)N25°～40°W/NE(SW)∠80°～90°，主要見(jiàn)于安裝間部位;

(4)N60°～70°W/NE(SW)∠80°～90°，發(fā)育少，但延伸較長(zhǎng)，個(gè)別張開(kāi)0.5～3 cm，最大張開(kāi)可達(dá)20 cm，該組裂隙走向與廠房、主變室邊墻近平行，對(duì)邊墻穩(wěn)定不利。

1.3地應(yīng)力

錦屏一級(jí)水電站壩址區(qū)谷坡高陡，相對(duì)高差1 500～2 500 m，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)以NW～NWW向?yàn)橹鲏簯?yīng)力場(chǎng)，構(gòu)造應(yīng)力與高自重應(yīng)力疊加造成天然狀態(tài)下地應(yīng)力量值高，且分布不均一。

廠區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力表明：地下廠區(qū)屬于高地應(yīng)力區(qū)，最大主應(yīng)力σ1值超過(guò)30 MPa，σ1的方向比較一致，與雅礱江岸坡走向大角度相交，與廠房軸線在水平面上小角度相交，略偏下游，與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向基本一致。σ1的傾角變化較大，最小4.5°,最大87.9°，但總體上中緩角度傾向雅礱江。中間主應(yīng)力σ2量值一般10～20 MPa，在不同的區(qū)域，方向不同。在水平埋深小于200 m的區(qū)域方向一般近SN向，與廠房軸線夾角較大，中等傾角傾向上游，對(duì)廠房、主變室等洞室圍巖穩(wěn)定影響較大。右岸三向主應(yīng)力分組統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3　右岸三向主應(yīng)力分組統(tǒng)計(jì)

地應(yīng)力隨埋深成“駝峰狀”分布(見(jiàn)圖4)，在水平深度100 m以外，最大主應(yīng)力σ1為12.96～15.42 MPa；100～350 m之間最大主應(yīng)力σ1為16.13～35.7 MPa；350 m以里應(yīng)力趨于平穩(wěn)，最大主應(yīng)力σ1為23.02～27.11 MPa。地下廠區(qū)正好位于“駝峰”應(yīng)力區(qū)。

圖4　地下廠區(qū)主應(yīng)力值與水平埋深關(guān)系

結(jié)合地下廠區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果和巖體強(qiáng)度分析，錦屏一級(jí)廠房洞室群多數(shù)巖石強(qiáng)度應(yīng)力比(Rb/σm)約1.5～4，可以判定為高～極高地應(yīng)力區(qū)。原始處于高圍壓狀態(tài)下的巖體，開(kāi)挖后向臨空面卸荷回彈強(qiáng)烈。

2　施工期圍巖破壞特征

地下廠房洞室圍巖破壞具有淺表巖體破壞強(qiáng)烈，深部巖體劈裂，圍巖松弛深度大，且變形有明顯的時(shí)效特性。

2.1洞壁淺表部破壞

淺部破壞現(xiàn)象主要指表部直接觀察到的巖體破壞現(xiàn)象。

錦屏一級(jí)地下廠區(qū)各洞室?guī)r體完整性較好，嵌合緊密，爆破后半孔率多在90%以上，開(kāi)挖面總體成型良好，但在滯后一定時(shí)間后開(kāi)挖面就出現(xiàn)了破壞現(xiàn)象：①片幫剝落;②卸荷回彈、錯(cuò)動(dòng);③局部劈裂破壞;④彎折內(nèi)鼓。

(1)片幫剝落。片幫一般伴隨開(kāi)挖發(fā)生，或開(kāi)挖后滯后數(shù)小時(shí)出現(xiàn)。主要出現(xiàn)于廠房、主變室等垂直河流向洞室的下游側(cè)拱座附近，以及壓力管道下平段、母線洞、尾水管等順河向洞室的外側(cè)拱座附近。上述部位片幫現(xiàn)象較普遍(斷層破碎帶部位除外)。在廠房、主變室下游側(cè)拱座附近片幫厚一般20～30 cm，最厚50～70 cm；尾水連接管、壓力管道下平段頂拱外側(cè)片幫厚度一般30～50 cm，最厚60～70 cm。

(2)卸荷回彈、錯(cuò)動(dòng)。廠房上游邊墻約1 654.5 m高程(廠房開(kāi)挖到第Ⅳ層開(kāi)始出現(xiàn))以下至底板，該范圍內(nèi)每一層開(kāi)挖后下部巖體普遍卸荷回彈破壞，形成大量板狀、鱗片狀巖板(片)。破裂面起伏，粗糙，產(chǎn)狀一般N50°～70°W/NE∠40°～50°，走向與開(kāi)挖面近平行，傾向洞內(nèi)，類(lèi)似“疊瓦”式層層破壞，破裂形成的巖板(片)層厚5～30 cm不等。

廠房下游邊墻局部(主要分布于0+020～0+060 m，高程1 657～1 625 m區(qū)域)巖體卸荷開(kāi)裂，或原裂隙卸荷張開(kāi)，裂縫產(chǎn)狀N30°～80°W/SW∠50°，走向與邊墻小角度相交，傾向洞內(nèi)。與上游邊墻形成類(lèi)似“疊瓦”式層層破壞不同，下游邊墻多以單條裂縫形式出現(xiàn)，且延伸長(zhǎng)。

此外，安裝間內(nèi)端墻、每一層開(kāi)挖后留下的保護(hù)層，由于巖體失去側(cè)向約束，巖體卸荷上臺(tái)，形成張開(kāi)水平裂縫；壓力管道、母線洞內(nèi)側(cè)邊墻下部也有這種現(xiàn)象，主要是置于完整巖體洞室，如5號(hào)、6號(hào)壓力管道下平段，3～6號(hào)母線洞后段內(nèi)側(cè)邊墻下部。

局部錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象觀察到的較少，在廠房上游邊墻0+150 m附近EL 1 654～1 650 m，主變室下游邊墻0+15 m附近，巖層沿巖層面逆錯(cuò)，錯(cuò)距約5 cm。

(3)巖體劈裂。開(kāi)挖過(guò)程中巖體劈裂出現(xiàn)部位主要見(jiàn)于廠房、主變室等垂直河流向洞室的下游側(cè)拱座附近，以及母線洞、尾水管等順河向洞室的外側(cè)頂拱和內(nèi)側(cè)下部。劈裂縫方向一般與開(kāi)挖面近平行，起伏、粗糙，多是開(kāi)挖一段時(shí)間后巖體二次應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部巖體劈裂形成。

地下廠房第3層(巖壁吊車(chē)梁)開(kāi)挖完成后，在整個(gè)主機(jī)間下游拱腰(高程1 670～1 672 m范圍)出現(xiàn)噴層裂縫，在鋼筋肋拱部位可見(jiàn)鋼筋受壓向廠房?jī)?nèi)彎曲變形。

在2009年3月，對(duì)廠房下游側(cè)拱腰縱0+132～0+185 m段、高程約1 670～1 671 m范圍內(nèi)的開(kāi)裂噴層進(jìn)行了人工清撬，將混凝土噴層剝開(kāi)后發(fā)現(xiàn)，頂拱混凝土噴層與巖面脫開(kāi)，內(nèi)部原新鮮完整的大理巖脆性破壞嚴(yán)重，破壞形式以劈裂、彎折為主，局部壓碎，呈10～20 cm厚的不規(guī)則板狀或碎塊狀，板狀破裂面新鮮，較平直，產(chǎn)狀一般N50°～60°W/NE∠30°～40°，即在拱腰部位劈裂形成的巖板與開(kāi)挖面近平行(見(jiàn)圖5)，局部層面裂隙發(fā)育部位還可見(jiàn)沿層面張開(kāi)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查還見(jiàn)鋼筋肋拱受擠壓向洞內(nèi)彎曲現(xiàn)象(見(jiàn)圖6)

廠房、主變室下游拱腰部位圍巖破裂形式如圖7所示。

圖5　巖體劈裂、彎折

圖6　鋼筋肋拱擠壓彎曲

圖7　廠房下游拱腰巖體劈裂、噴層脫落示意

(4)巖層內(nèi)鼓彎折。這類(lèi)變形破壞主要見(jiàn)于壓力管道下平段、母線洞等順河向洞室的外側(cè)頂拱，由于這些洞室軸向與巖層走向近平行，而與最大主應(yīng)力近正交，因此在薄層狀大理巖構(gòu)成的洞室中，外側(cè)頂拱巖層在高地應(yīng)力作用下向洞內(nèi)彎曲，甚至折斷，致使洞室外側(cè)拱超挖，成型差，影響圍巖穩(wěn)定(見(jiàn)圖8)。

圖8　母線洞外側(cè)拱、內(nèi)側(cè)下部巖層內(nèi)鼓彎折示意

(5)綜合上述圍巖破壞現(xiàn)象，地下廠房洞室群圍巖變形開(kāi)裂現(xiàn)象有如下特點(diǎn)：

①垂直河流向的洞室：圍巖變形開(kāi)裂現(xiàn)象主要出現(xiàn)在下游側(cè)頂拱和上游側(cè)邊墻，如圖9所示。廠房、主變室下游頂拱，無(wú)論開(kāi)挖過(guò)程中還是支護(hù)后破壞都較明顯，開(kāi)挖過(guò)程中片幫剝落，支護(hù)后最早發(fā)現(xiàn)混凝土噴層開(kāi)裂。而廠房上游邊墻巖壁吊車(chē)梁以下開(kāi)挖期表部巖體普遍出現(xiàn)了卸荷回彈破壞；

②順河向的洞室：圍巖變形開(kāi)裂主要出現(xiàn)在外側(cè)頂拱和內(nèi)側(cè)下部，開(kāi)挖期外側(cè)頂拱片幫剝落，或內(nèi)鼓彎折，內(nèi)側(cè)壁下部劈裂、松動(dòng)碎裂，支護(hù)后局部仍有劈裂破壞。

圖9　廠房圍巖破壞最強(qiáng)烈區(qū)域示意

2.2圍巖深部劈裂

廠房、主變室圍巖深部拉裂破壞一是可以從副廠房連接洞、出線下平洞、母線洞等與廠房軸線垂直的洞室中直接觀察到，二是通過(guò)物探聲波、攝像成果，并用變形監(jiān)測(cè)資料加以佐證。

副廠房聯(lián)系洞、出現(xiàn)下平洞等洞室軸線方向與廠房邊墻垂直，洞室內(nèi)發(fā)育的裂縫可以反映廠房邊墻深部開(kāi)裂現(xiàn)象。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裂縫編錄資料，裂縫發(fā)育的范圍距廠房或主變室邊墻一般6～10 m，最大距離約17 m，裂縫一般平直，近直立，貫通性好，總體上走向與廠房、主變室邊墻近平行，張開(kāi)1～5 mm，最寬約10 mm，無(wú)錯(cuò)動(dòng)、錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，顯明顯張性特征(見(jiàn)圖10)。裂縫的產(chǎn)生是圍巖在高地應(yīng)力作用下產(chǎn)生的劈裂破壞。根據(jù)副廠房聯(lián)系洞裂縫發(fā)育情況判斷，廠房下游邊墻圍巖松弛深度為15～17 m左右，主變室上游邊墻圍巖松弛深度為10 m左右；而出線下平洞環(huán)向裂縫顯示主變室下游邊墻圍巖開(kāi)裂深度在9～12 m。

圖10　副廠房下層聯(lián)系洞噴層裂縫素描

施工期針對(duì)廠房、主變室圍巖變形破壞，進(jìn)行了單孔聲波測(cè)試和鉆孔攝像，成果顯示在廠房上下游邊墻深部均有巖體開(kāi)裂現(xiàn)象，在鉆孔圖像上可以直觀的看到巖體劈裂縫，在波速曲線上則表現(xiàn)為低波速點(diǎn)，如圖11所示，邊墻淺部裂縫密度較大，裂縫較發(fā)育，間距一般小于30 cm，巖體結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生改變，多呈板狀，而深部裂縫間距較大。裂縫方向一般與開(kāi)挖面近平行，斷口新鮮，粗糙，典型如圖12所示。

圖11　廠房典型聲波曲線與孔內(nèi)成像對(duì)比

圖12　典型深部巖體劈裂孔內(nèi)成像

根據(jù)物探現(xiàn)場(chǎng)編錄、波速曲線和鉆孔圖像以及變形監(jiān)測(cè)成果分析，主廠房下游側(cè)拱座附近巖體松弛深度7～12 m，其中強(qiáng)松弛深度4～8 m，邊墻一般8～13 m，最深16.5 m，其中強(qiáng)松弛深度一般約4.4～6.2 m，最深約9 m；上游側(cè)拱座附近松弛深度1.2～3.4 m，邊墻9～17 m，其中強(qiáng)松弛深度約4～8 m。主變室上游邊墻巖體松弛深度8～17 m，最深約18 m，其中強(qiáng)松弛深度一般4～8 m，最深10.6 m；下游邊墻松弛深度6～10 m，最深約15 m，其中強(qiáng)松弛深度2.4～6.4 m。主廠房、主變室的下游側(cè)拱座附近洞壁淺表(深度2 m左右)巖體基本破壞，失去承載能力，如圖13所示。

圖13　錦屏一級(jí)地下廠房圍巖松弛深度示意

2.3圍巖破壞與時(shí)間的關(guān)系

地下廠區(qū)洞室圍巖變形雖與開(kāi)挖有關(guān)，變形曲線有臺(tái)階式發(fā)展，但與一般低應(yīng)力區(qū)不同，即使在開(kāi)挖停止后圍巖變形仍在持續(xù)(見(jiàn)圖14)。

圖14　廠房下游邊墻典型位移-時(shí)間過(guò)程曲線

從圖上可以明顯看出，圍巖變形不但和洞室開(kāi)挖密切相關(guān)，而且在停止開(kāi)挖期間圍巖變形仍在持續(xù)發(fā)展，開(kāi)挖后圍巖變形趨于收斂的時(shí)間較長(zhǎng)。2009年5月中旬到2009年10月中旬(廠房開(kāi)挖至第Ⅷ層)，地下廠房三大洞室停止開(kāi)挖施工，進(jìn)行全面系統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)加固處理，廠房圍巖變形監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表明，開(kāi)挖停止期間，廠房在59套多點(diǎn)位移計(jì)中有26套多點(diǎn)位移計(jì)表面位移增量大于2 mm，4套增量位移在5～10 mm之間，8套增量位移大于10 mm，位移增速在0.43～3.57 mm/月內(nèi)變化，最大增速為3.57 mm/月。廠房Ⅰ～Ⅶ層開(kāi)挖期間主廠房測(cè)點(diǎn)變形速率小于1 mm/月的測(cè)點(diǎn)為36個(gè)，占總數(shù)的61.02%；變形速率在1～3 mm/月的測(cè)點(diǎn)為11個(gè)，占總數(shù)的18.64%；變形速率在3～5 mm/月的測(cè)點(diǎn)為5個(gè)，占總數(shù)的8.47%；變形速率大于5 mm/月的測(cè)點(diǎn)為7個(gè)，占總數(shù)的11.86%。停止開(kāi)挖期間主廠房測(cè)點(diǎn)變形速率小于1 mm/月的測(cè)點(diǎn)為54個(gè)，占總數(shù)的91.53%；變形速率在1～3 mm/月的測(cè)點(diǎn)為1個(gè)；變形速率在3～5 mm/月的測(cè)點(diǎn)為4個(gè)，開(kāi)挖停止期間較Ⅰ～Ⅶ層開(kāi)挖期間的測(cè)點(diǎn)變形速率相對(duì)變緩。圍巖在停止開(kāi)挖、支護(hù)后變形逐步趨緩，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才逐步收斂。

3　圍巖變形破壞成因機(jī)理分析

洞室群圍巖變形破壞的過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的二次應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)適應(yīng)調(diào)整過(guò)程，地下洞室下挖后，巖體中形成一個(gè)自由變形空間，使原來(lái)處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于失去了支撐而發(fā)生向洞內(nèi)的松脹變形，并引起相應(yīng)范圍內(nèi)圍巖產(chǎn)生應(yīng)力重分布，重分布應(yīng)力可能在某些部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力的集中程度超出了圍巖強(qiáng)度，或者變形超過(guò)了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞。

(1)高地應(yīng)力與巖體強(qiáng)度之間的矛盾是廠區(qū)圍巖變形破壞的根本原因，而洞室與地應(yīng)力主軸之間空間角度關(guān)系的不對(duì)稱(chēng)性造成的偏壓是造成廠房洞室群破壞位置不對(duì)稱(chēng)的直接原因。

地下廠區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力顯示，初始最大主地應(yīng)力σ1=20～35.7 MPa，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比較低，約為1.5～3，地下廠房洞室群處于高～極高應(yīng)力區(qū)。即使排除實(shí)測(cè)最高值σ1=35.7 MPa的測(cè)點(diǎn)后，保守選取的地應(yīng)力仍然達(dá)到σ1=21.7 MPa，σ3=7.4 MPa和σ2=12.2 MPa，平面應(yīng)變計(jì)算結(jié)果表明，開(kāi)挖后圍巖彈性應(yīng)力集中量值達(dá)到50 MPa，一般都在25 MPa以上。開(kāi)挖過(guò)程中及圍巖加固后的變形破裂現(xiàn)象多以強(qiáng)度破壞為主，以上均表明高地應(yīng)力與巖體強(qiáng)度之間的矛盾是廠區(qū)圍巖變形破壞的根本原因。

洞室開(kāi)挖后應(yīng)力重分布與洞形和天然應(yīng)力場(chǎng)的方位密切相關(guān)，從地應(yīng)力場(chǎng)方位與洞室的關(guān)系看，垂直河流布置的主廠房、主變室等洞室軸線與最大主應(yīng)力方向在水平面上小角度相交，夾角15°～20°，無(wú)疑有利于洞室圍巖穩(wěn)定。但是，對(duì)下游側(cè)邊墻而言第一主應(yīng)力指向洞外(見(jiàn)圖15、16)，開(kāi)挖后容易在拱座附近集中，而應(yīng)力場(chǎng)分組中的第二或第三主應(yīng)力則指向洞內(nèi)，開(kāi)挖后急劇釋放，過(guò)大的應(yīng)力差造成主廠房、主變室下游拱腰部位巖體變形破壞嚴(yán)重。二維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果也表明廠房下游洞周應(yīng)力高度集中區(qū)主要分布在主廠房和主變室頂拱下游側(cè)拱座，以及與之反對(duì)稱(chēng)的兩洞室上游側(cè)直墻腳部。母線洞及尾水管縱剖面上，洞周最大主應(yīng)力高度集中區(qū)主要分布在洞室外側(cè)頂拱及內(nèi)側(cè)邊墻下部，彈性應(yīng)力集中量值可達(dá)到90 MPa以上。

(2)與廠區(qū)巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型的關(guān)系。除f13、f14和f18斷層(煌斑巖脈)三大地質(zhì)弱面發(fā)育部位屬碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)外，其余部位以厚層塊狀結(jié)構(gòu)為主，少量中薄層結(jié)構(gòu)。巖體內(nèi)主要結(jié)構(gòu)面多與主要洞室大角度相交，且與第一主應(yīng)力方向近正交，因此，巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)圍巖變形穩(wěn)定影響大為降低。但是，巖體結(jié)構(gòu)特征及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與洞室的關(guān)系對(duì)具體變形破壞型式有一定控制作用，在厚層塊狀巖體中圍巖以劈裂壓碎破壞為主，薄層結(jié)構(gòu)巖體中則以?xún)?nèi)鼓彎折為主。主廠房及主變室上游邊墻巖層視傾向洞內(nèi)，有利于主應(yīng)力釋放，圍巖卸荷回彈變形明顯；而下游側(cè)巖層視傾向洞外，不利于地應(yīng)力釋放，因此，巖層產(chǎn)狀與工程的關(guān)系也是下游側(cè)邊墻拱腰變形破壞相對(duì)嚴(yán)重的原因之一。

圖15　開(kāi)挖前平面應(yīng)力

圖16　開(kāi)挖后彈性重分布應(yīng)力

(3)圍巖變形破壞與洞室尺寸、形狀以及洞室密集程度有關(guān)。廠房開(kāi)挖跨度、高度較主變室大，因此主廠房圍巖變形總體上比主變室要強(qiáng)。洞室形狀影響主要是拐點(diǎn)處易應(yīng)力集中或卸荷松弛，如廠房下游拱座處應(yīng)力高度集中，而主機(jī)間內(nèi)端墻由于上部失去約束，卸荷松弛。

洞室密集程度對(duì)圍巖變形影響較大，洞室之間的部位，圍巖變形破壞嚴(yán)重。當(dāng)洞室密集時(shí)，洞間承載應(yīng)力的巖體尺度將減小，應(yīng)力更高度集中，而且變形空間也更大,這就是群洞效應(yīng)。如主廠房與主變室之間的巖墻，由于受到上下游兩面和母線洞開(kāi)挖，巖體向主廠房和主變室兩個(gè)方向釋放應(yīng)力，致使巖墻變形深度較大。

(4)支護(hù)強(qiáng)度、時(shí)機(jī)的選擇。廠房洞室開(kāi)挖后二次應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)調(diào)整劇烈，過(guò)程比較復(fù)雜，達(dá)到平衡狀態(tài)需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，變形量值比較大。尤其是停止開(kāi)挖后，變形趨勢(shì)依然增加。這種變形模式對(duì)支護(hù)系統(tǒng)的承力狀態(tài)影響較大，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，很難準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，因此高地應(yīng)力環(huán)境下，選擇什么樣的施工程序、方法，支護(hù)方式、強(qiáng)度以及支護(hù)時(shí)機(jī)等，才能最大程度限制圍巖不出現(xiàn)大的破壞變形，還值得進(jìn)一步探討。

4　結(jié)　　論

(1)淺部破壞現(xiàn)象主要有片幫剝落、卸荷回彈、錯(cuò)動(dòng)、局部劈裂破壞、彎折內(nèi)鼓。破壞分布位置，廠房、主變室等垂直河流向洞室主要是下游側(cè)頂拱和上游側(cè)邊墻中下部，下游側(cè)頂拱片幫剝落、混凝土噴層開(kāi)裂，上游邊墻中下部表部巖體普遍卸荷回彈破壞；母線洞、尾水管等順河向洞室主要是外側(cè)頂拱和內(nèi)側(cè)下部，開(kāi)挖期外側(cè)頂拱片幫剝落，或內(nèi)鼓彎折，內(nèi)側(cè)壁下部劈裂、松動(dòng)碎裂。主廠房、主變室的下游側(cè)拱座附近洞壁淺表(深度2 m左右)，巖體基本破壞，失去承載能力。

(2)廠房洞室群圍巖在高地應(yīng)力下，變形持續(xù)向深部發(fā)展，巖體劈裂、松弛深度大，根據(jù)物探現(xiàn)場(chǎng)編錄、波速曲線和鉆孔圖像以及變形監(jiān)測(cè)成果分析，主廠房下游側(cè)拱座附近巖體松弛深度7～12 m，邊墻一般8～13 m，最深16.5 m；上游側(cè)拱座附近松弛深度1.2～3.4 m，邊墻9～17 m。主變室上游邊墻巖體松弛深度8～17 m，最深約18 m；下游邊墻松弛深度6～10 m，最深約15 m。

(3)大理巖破壞有一定時(shí)間效應(yīng)，隨時(shí)間圍巖破壞加劇，圍巖表現(xiàn)出逐步發(fā)展的破壞過(guò)程，由開(kāi)挖期的卸荷回彈、片幫等現(xiàn)象發(fā)展到初期支護(hù)后的大規(guī)模劈裂破壞。

(4)廠房地下洞室群圍巖變形破壞機(jī)理復(fù)雜，與巖體強(qiáng)度、應(yīng)力場(chǎng)分布、巖體工程地質(zhì)特性、洞室群規(guī)模和形狀、開(kāi)挖方式、支護(hù)時(shí)機(jī)和強(qiáng)度等多種因素有關(guān)，其中地應(yīng)力高而大理巖巖體強(qiáng)度相對(duì)較低是施工期圍巖變形破壞的最根本原因，而偏壓造成下游拱腰和上游邊墻下部出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致下游拱腰和上游邊墻圍巖破壞強(qiáng)烈。

(5)廠房二次應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)調(diào)整過(guò)程比較復(fù)雜，變形量值較大，對(duì)支護(hù)系統(tǒng)的承力狀態(tài)影響較大，在施工方式、支護(hù)時(shí)機(jī)和力度上還值得進(jìn)一步探討。

[1]周 鐘，鞏滿(mǎn)福，侯東奇，等. 四川省雅礱江錦屏一級(jí)水電站地下廠房洞室群施工期圍巖穩(wěn)定與支護(hù)設(shè)計(jì)報(bào)告[R]. 成都：中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2010.

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2015-03-03

陳長(zhǎng)江(1979-)，男，貴州興仁縣人，高級(jí)工程師，從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。

TV223.1;TV731.6

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1003-9805(2016)03-0005-06