烏東德水電站尾水主洞擴(kuò)挖過程中邊墻破壞的幾點(diǎn)認(rèn)識

顏其林，蔣業(yè)龍

(1.安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000；2.三峽大學(xué) 土木水電學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

烏東德水電站廠房布置于左右兩岸山體中，均靠河床側(cè)布置，各安裝6臺單機(jī)容量為850MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量10200MW。主要建筑物有進(jìn)水口、引水隧洞、主廠房及安裝場、主變洞、母線洞、電纜廊道、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、尾水出口、出線豎井及平洞、地面出線場、交通洞、通風(fēng)排風(fēng)(煙)系統(tǒng)、集水井排水管道洞及廠外排水系統(tǒng)等。引水系統(tǒng)采用一機(jī)一洞、尾水系統(tǒng)采用二機(jī)一室一洞布置，左右岸各有2條尾水隧洞與導(dǎo)流洞結(jié)合。

水電站地下洞室群經(jīng)過的地層主要有落雪組的第一段至第十段(Pt2l1-Pt2l10)，洞室圍巖以Ⅱ類、III類為主[1]。由于該水電站具有工程規(guī)模大，洞室布置密集，挖空率較高等特點(diǎn)，在洞室群的施工建設(shè)中將遭遇一系列較為突出的大跨度、高邊墻洞室穩(wěn)定或破壞等問題。圍巖的破壞主要是受巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件和地應(yīng)力等因素的影響，有多種破壞模式，具體的表現(xiàn)形式也多樣[2-3]。而不同的破壞模式往往對應(yīng)著不同的破壞機(jī)制和過程。本文對烏東德水電站1#尾水主洞上游段(0+40～0+60m之間區(qū)域)在Ⅰ層擴(kuò)挖過程中左側(cè)邊墻發(fā)生的破壞進(jìn)行差異性分析，以此對圍巖破壞模式正確的識別，有助于后續(xù)采取針對性的分析方法和工程控制措施，進(jìn)而避免或減輕圍巖的破壞，達(dá)到“防患于未然”。

1 隧洞塌方與巖爆的定義

1.1 隧洞塌方

對于結(jié)構(gòu)面較發(fā)育、巖體質(zhì)量較差的洞段，開挖一方面導(dǎo)致垂直結(jié)構(gòu)面方向的應(yīng)力被解除進(jìn)而使結(jié)構(gòu)面張開，并與其垂直或成大夾角相交的微小裂隙共同切割巖體，進(jìn)而導(dǎo)致這部分巖體在自重作用下產(chǎn)生解體、潰散后坍落；另一方面結(jié)構(gòu)面張開后導(dǎo)致形成的薄巖板在端部荷載作用下亦可能產(chǎn)生撓曲后彎折潰曲，在自重作用下產(chǎn)生垮塌。而當(dāng)圍巖質(zhì)量相對較好時(shí)，如結(jié)構(gòu)面與隧洞開挖臨空面相交切割而成不穩(wěn)定塊體，則視其在洞室的出露位置表現(xiàn)出不同的破壞模式：如該不穩(wěn)定塊體出現(xiàn)在頂拱，表現(xiàn)為掉塊；如出現(xiàn)在邊墻，則表現(xiàn)為滑移-坍落。

1.2 巖爆

一般出現(xiàn)在高應(yīng)力環(huán)境下的完整巖體中，開挖后某些部位高度的應(yīng)力集中導(dǎo)致巖體儲存大量的彈性應(yīng)變能，超出巖體儲能能力或受到擾動(dòng)時(shí)可能發(fā)生強(qiáng)烈的動(dòng)力型破壞，即巖爆。巖爆一般分為應(yīng)變型巖爆和結(jié)構(gòu)面型巖爆[4-5]。

(1)應(yīng)變型巖爆，是指圍巖應(yīng)力集中區(qū)的彈性能應(yīng)變累積水平超過圍巖的承受能力后直接導(dǎo)致的圍巖破壞現(xiàn)象。深埋高地應(yīng)力是此類破壞發(fā)生的必要條件。高地應(yīng)力的影響包括兩個(gè)方面：高地應(yīng)力使原巖儲存更多的彈性能，為巖爆發(fā)生提供了能量源；巖體在高地應(yīng)力下強(qiáng)烈壓縮，一些隱性的結(jié)構(gòu)面被壓密，巖體結(jié)構(gòu)得到改善，巖體強(qiáng)度得到提高，開挖擾動(dòng)后圍巖應(yīng)力調(diào)整過程中，巖體在屈服前積聚更高的能量。

(2)結(jié)構(gòu)面型巖爆，是指巖爆發(fā)生時(shí)受附近緊密閉合的硬性結(jié)構(gòu)面或斷裂影響的巖爆。在低應(yīng)力條件下，結(jié)構(gòu)面自身的變形與破壞對圍巖穩(wěn)定起主要作用；但在高地應(yīng)力條件下，原巖中的結(jié)構(gòu)面趨于閉合，結(jié)構(gòu)面自身的變形和破壞作用逐漸減小。同時(shí)，結(jié)構(gòu)面附近的應(yīng)力與能量集中成為巖爆的誘發(fā)因素。

2 破壞特征比較

松散結(jié)構(gòu)或極破碎圍巖段內(nèi)產(chǎn)生的塌方是由于巖體在隧道開挖過程中受爆破震動(dòng)和開挖卸荷的影響，巖體結(jié)構(gòu)被完全破壞而解體，塌方體呈明顯的碎裂狀；受關(guān)鍵塊體的滑塌引起的塌方常位于斷層帶、剪切帶、片理化帶、破碎帶等部位，并往往可以觀察到這些大的結(jié)構(gòu)面是作為塌方體的邊界出現(xiàn)的；對于結(jié)構(gòu)面與隧洞開挖相交構(gòu)成不利組合造成的塌方，除塌方體邊界為結(jié)構(gòu)面外，塌方體也為較規(guī)則的幾何體。

巖爆發(fā)生時(shí)，常引起圍巖的震動(dòng)。巖爆發(fā)生時(shí)圍巖內(nèi)部儲存的彈性能部分轉(zhuǎn)化為失穩(wěn)巖體的動(dòng)能，巖體拋射物具有一定的初速度。巖爆常常伴有撕裂、清脆或者沉悶的聲響[6]。

3 此次巖體破壞模式識別

首先，從地應(yīng)力上推測此處發(fā)生巖爆的可能性。巖爆一般發(fā)生在高地應(yīng)力下，但是目前國際和國內(nèi)尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合工程實(shí)踐，通常將>20MPa的硬巖巖體內(nèi)的初始地應(yīng)力稱為高地應(yīng)力?；跒鯑|德地廠地應(yīng)力實(shí)測和反演結(jié)果[7]，此處的最大主應(yīng)力<15MPa，因此不屬于高地應(yīng)力區(qū)域。其次，從強(qiáng)度應(yīng)力比σc/σ1指標(biāo)判據(jù)判斷此處發(fā)生巖爆的可能性。結(jié)合地廠的灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，灰?guī)r的常規(guī)三軸試驗(yàn)和真三軸試驗(yàn)峰值強(qiáng)度多>100MPa，而反演的最大主應(yīng)力<15MPa，因此σc/σ1>6.7。根據(jù)Barton判據(jù)、陶振宇判據(jù)及國標(biāo)GB 50218—94(表1)給定的巖爆判定區(qū)間，此處發(fā)生巖爆的可能性很小。

表1 基于強(qiáng)度應(yīng)力比的巖爆判據(jù)

現(xiàn)場沒有人員看到此處產(chǎn)生破壞時(shí)是否伴隨有巖塊彈射現(xiàn)象，不能據(jù)該現(xiàn)象判定此處破壞是否為巖爆。但從現(xiàn)場所揭示的破壞表面上來看，此處巖體并不完整，其內(nèi)分布有兩組明顯的密集結(jié)構(gòu)面(圖1)，故該處巖體不具備儲存大量應(yīng)變能的巖體結(jié)構(gòu)條件，自然也就不具備巖爆發(fā)生的條件。另外，此處破壞表面較為平滑(圖2(a))，而巖爆是應(yīng)變能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能后造成巖石與巖體劇烈分離的一種動(dòng)態(tài)破壞，其爆坑表面是不平滑和不規(guī)則的(如圖2(b)所示，錦屏二級水電站引水隧洞所發(fā)生的眾多巖爆，即使是輕微巖爆，其爆坑表面也是凹凸不平的)[8]。巖爆最主要的爆后特征是由于巖塊的拋擲現(xiàn)象使其散落范圍大于破壞面的垂直面積(圖3(a))，而從此次破壞巖塊所散落的面積來看，其分布的范圍基本上位于其破壞面的垂直面積內(nèi)(圖3(b))，由此可以斷定此處巖體破壞時(shí)沒有明顯的巖塊拋擲現(xiàn)象。綜合以上推斷，可以斷定此處的破壞不是巖爆[9]。

圖1 此處破壞表面密集結(jié)構(gòu)面分布

圖2 此處破壞與巖爆破壞表面對比

圖3 此處破壞與巖爆破壞后巖石散落的范圍對比

對于此次1#尾水主洞上游段Ⅰ層擴(kuò)挖過程中左側(cè)邊墻的破壞，其產(chǎn)生原因是因?yàn)橹袑?dǎo)洞的擴(kuò)挖致使圍巖表面由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)為二向應(yīng)力狀態(tài)，洞壁處切向應(yīng)力顯著增加致使其產(chǎn)生明顯的徑向壓致拉裂現(xiàn)象，隨著應(yīng)力不斷調(diào)整，裂紋持續(xù)擴(kuò)展并最終與原生裂隙貫通，形成塌方的內(nèi)部邊界；當(dāng)這些內(nèi)部邊界與開挖臨空面相交時(shí)，便形成不穩(wěn)定體，在自重作用下難以自持后沿邊墻塌落。

4 擬采取工程措施及效果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，參照其他工程應(yīng)用[10-11]，尾水洞主要支護(hù)類型有：錨桿(砂漿錨桿、錨筋束、中空注漿錨桿、自進(jìn)式錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿、超前錨桿等)、噴射混凝土(包括噴射素混凝土、噴射鋼纖維混凝土、噴射粗纖維混凝土、掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土)、預(yù)應(yīng)力錨索、鋼支撐(含型鋼拱架、格柵鋼拱架、鋼筋肋拱)、小導(dǎo)管。

經(jīng)四方現(xiàn)場確認(rèn)，排除巖爆，結(jié)合圍巖性狀(III類)，此部位系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)包括Φ32，L=6m/9m@1.5×1.5m的系統(tǒng)錨桿(6m為普通錨桿，9m為張拉力50kN的張拉錨桿，交錯(cuò)布置)；同時(shí)采用掛鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土。

同步對此斷面進(jìn)行收斂和變型監(jiān)測，設(shè)置來多點(diǎn)位移計(jì)和錨桿應(yīng)力計(jì)。多點(diǎn)位移計(jì)均為3點(diǎn)式布置，孔深10m，錨桿應(yīng)力計(jì)根據(jù)直徑不同布置在6m或者9m的砂漿錨桿上；通過持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反映：多點(diǎn)位移計(jì)當(dāng)前孔口位移<1mm，監(jiān)測錨桿應(yīng)力<20MPa，測值較平穩(wěn)。

5 結(jié)論

針對此次1#尾水洞上游段Ⅰ層擴(kuò)挖過程中左側(cè)邊墻發(fā)生的破壞進(jìn)行分析，獲得如下結(jié)論：

(1)從地應(yīng)力條件(最大主應(yīng)力<15MPa)、強(qiáng)度應(yīng)力比σc /σ1指標(biāo)(>6.7)上可以判斷，此處巖體發(fā)生的破壞為巖爆的可能性較小。

(2)從現(xiàn)場所揭示的破壞表面形態(tài)來看，此處巖體并不完整，其內(nèi)分布有兩組明顯的密集結(jié)構(gòu)面，故該處巖體不具備儲存大量應(yīng)變能和發(fā)生巖爆的巖體結(jié)構(gòu)條件；此外，破壞表面較為平滑與通常所見的巖爆爆坑表面凹凸不平現(xiàn)象不符。從此次破壞巖塊所散落的面積可以推斷，此處巖體破壞時(shí)沒有明顯的巖塊拋擲現(xiàn)象。

(3)從現(xiàn)場的破壞形態(tài)上推斷，此處破壞是由于圍巖在開挖后應(yīng)力調(diào)整的過程中，在切向應(yīng)力不斷增加的作用下導(dǎo)致的裂紋持續(xù)擴(kuò)展直至貫通形成塌方的內(nèi)部邊界，并與開挖臨空面構(gòu)成不利組合所導(dǎo)致的塌方，而并非巖爆。

(4)通過巖體破壞模式識別，并采取工程措施，結(jié)合后續(xù)監(jiān)測結(jié)果，可為類似地下洞室工程施工提供參考依據(jù)。