某電站尾調(diào)室頂拱噴層平行軸向裂縫原因分析

敖慧斌,李 揚

（1.二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 鹽源縣 615704;2.成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都610000）

目前，水電工程中的地下洞室的規(guī)模越來越大，地下洞室群的布局和所處的地質(zhì)環(huán)境也越來越復(fù)雜。地下工程實踐已經(jīng)揭示了工程圍巖破壞可以概括地分為兩大類，一類是應(yīng)力控制型破壞；另一類是塊體控制型破壞(也稱結(jié)構(gòu)面控制型破壞或重力型破壞)。地下洞室（尤其大跨度地下洞室）圍巖的變形與破壞大多受結(jié)構(gòu)面控制，結(jié)構(gòu)面的分布、特征及組合關(guān)系是巖體穩(wěn)定的內(nèi)在因素，它決定巖體的穩(wěn)定程度、可能變形破壞的邊界條件、方式、規(guī)模和特征等。因此，對于不穩(wěn)定塊體影響下地下洞室圍巖變形與破壞的重點研究，對地下工程具有重要意義。前人圍繞這一問題從塊體的定性調(diào)查、定性分析預(yù)報以及圍巖穩(wěn)定性計算分析進行了許多研究工作。紫坪鋪工程1號、2號泄洪洞龍?zhí)ь^段的塌方調(diào)查結(jié)果 (宋戰(zhàn)平等，2003)也同樣說明了這一點。調(diào)查結(jié)果還表明，在所有塌落塊體中受優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面和層面切割的結(jié)構(gòu)體占絕大多數(shù)。

1 工程地質(zhì)概況

某電站樞紐主要建筑物由碾壓混凝土重力壩，右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)、壩身泄洪系統(tǒng)組成。主廠房、主變室、尾調(diào)室三大洞室平行布置，軸線方向N5°E，主廠房與主變室間巖柱厚49.2 m，尾調(diào)室與主變室間巖柱厚48.8 m。引水洞采用一機一洞布置，尾水調(diào)壓室采用“兩機一室”布置型式，設(shè)置兩個條型調(diào)壓室，下室寬度20.00 m，上室寬21.50 m，洞高76.00 m。尾調(diào)室及部分主變室置于P2β15-1層灰綠色斑狀玄武巖中。孔徑法測試表明，廠房區(qū)最大主應(yīng)力σ1方向為N27.3°～53°W，平均值N35.4°W，最大主應(yīng)力量級 25.0～35.17 MPa。廠房軸線與廠區(qū)孔徑法實測最大主應(yīng)力（σ1）方向平均值的夾角40.4°。

2 尾調(diào)室開挖揭示的地質(zhì)條件

尾調(diào)室圍巖,巖性主要為P2β15-1輝斑玄武巖，為灰綠色，巖石堅硬。巖體較完整、較破碎，以塊、次塊狀、塊裂狀結(jié)構(gòu)為主，局部裂隙密集帶為鑲嵌、碎裂結(jié)構(gòu)。巖體呈微—新鮮狀態(tài)，節(jié)理面偶見銹染。局部受錯動帶影響，錯動帶及影響帶圍巖呈弱風(fēng)化。地下水較豐富。主要發(fā)育5組裂隙，N30°～50°W/NE∠75°～85°，對上游邊墻的穩(wěn)定不利；N5°～15°E/SE∠10°～20°對洞室頂拱、上游側(cè)邊墻穩(wěn)定不利；EW/S（N）∠60°～75°；近 SN/W∠55°～60°與其他裂隙組合在頂拱、下游側(cè)邊墻可形成不穩(wěn)定塊體，對洞室的穩(wěn)定不利；N30°～55°W/SW∠35°～50°。共發(fā)育9條錯動帶，平行軸向開裂縫范圍發(fā)育5條。

3 尾調(diào)室頂拱噴層裂縫的概況

在尾調(diào)室開挖過程中頂拱部位出現(xiàn)了多次混凝土噴層開裂，其中第一次開裂出現(xiàn)時間為2008年7月份，中導(dǎo)洞上游拱肩部位樁號0+080—0+095 m噴錨混凝土出現(xiàn)與洞軸線近于平行波狀裂縫；第二次開裂出現(xiàn)時間為2008年10月份，中導(dǎo)洞頂拱偏下游側(cè)樁號0+095—0+135 m噴錨混凝土出現(xiàn)與洞軸線近于平行波狀裂縫，呈斷續(xù)發(fā)展，裂縫開度約3～5 cm，同時出現(xiàn)一條裂縫橫穿頂拱，與第一次開裂出現(xiàn)的裂縫基本相連接；第三次開裂出現(xiàn)時間為2008年11月份，S端墻附近樁號0+147—0+165.5 m噴錨混凝土出現(xiàn)橫穿頂拱的裂縫，長度約25 m，縫寬1～3 cm，裂縫基本沿錯動帶（fxt05）出露線展布。從裂縫形態(tài)上來看，尾調(diào)室頂拱噴層裂縫既有張拉型裂縫，又有剪切型裂縫，或者兩者復(fù)合型。而這種裂縫形態(tài)多樣性的同時呈現(xiàn)，預(yù)示著尾調(diào)室頂拱噴層開裂機制的復(fù)雜性。

4 頂拱噴層開裂的影響因素

4.1 施工因素

頂拱噴層第一次開裂出現(xiàn)在第一層上游側(cè)擴挖到樁號0+080—0+095區(qū)域，開挖放炮引起的強振動導(dǎo)致圍巖強烈的擾動，該區(qū)域的監(jiān)測斷面0+095的頂拱監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示了這一擾動后果—孔口位移顯著增加，量值達(dá)到15 mm左右，位移速率增加到0.36 mm/d，錨桿應(yīng)力計失效，無任何讀數(shù)。第二次裂縫出現(xiàn)的時段發(fā)生在第二層下臥即中間拉槽爆破的時期，該區(qū)域的監(jiān)測斷面0+095的頂拱監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，孔口位移顯著增加，量值達(dá)到27 mm左右，位移速率增加到0.3 mm/d，監(jiān)測斷面0+090的頂拱錨桿應(yīng)力計持續(xù)增加到約300 MPa，將超標(biāo)，預(yù)示著實際施加的支護作用已無法承受這種擾動，圍巖持續(xù)的變形和錨桿應(yīng)力持續(xù)增加將導(dǎo)致應(yīng)力計失效。從開裂縫的發(fā)生、發(fā)展及開挖支護的過程來看，這些裂縫開始出現(xiàn)的時段與開裂區(qū)施工開挖基本相對應(yīng)。洞室開挖后破壞了原始應(yīng)力狀態(tài)，在應(yīng)力調(diào)整釋放的過程中，若沒有有效及時的補強支護，洞室周圍松弛圈的深度以及塑性區(qū)的深度有可能較深，洞室的收斂變形穩(wěn)定也將是緩慢的。另外明顯可見開挖爆破的振動擾動對開裂縫的參數(shù)有著非常大的影響，支護不及時也是造成開裂縫很重要的誘因。

4.2 地質(zhì)因素

尾調(diào)室裂隙及錯動帶發(fā)育，錯動帶出露范圍巖體完整性較差，易沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生掉塊。錯動帶與陡緩傾角節(jié)理相交、組合可形成不穩(wěn)定塊體而發(fā)生塌方。如錯動帶fxt06，fxt09與節(jié)理③在拱肩及邊墻部位相交組合，形成不利洞室穩(wěn)定的塊體；靠S端墻段緩傾節(jié)理②、⑤組在頂拱及邊墻較為發(fā)育，其與陡傾角節(jié)理切割易形成不穩(wěn)定塊體。尤其在尾調(diào)室上下游側(cè)與洞軸線相交銳角的裂隙、錯動帶與其余結(jié)構(gòu)面的組合塊體。

上下游側(cè)頂拱，由于緩傾角錯動帶fxt01，fxt05，fxt06在頂拱上方1～3 m內(nèi)發(fā)育，與其它陡傾角錯動帶、裂隙組合構(gòu)成塊體，開挖后頂拱部位沿錯動帶結(jié)構(gòu)面大部分已塌落，兩側(cè)拱角至拱肩未塌落部分構(gòu)成不穩(wěn)定三角塊體。隨著開挖揭示，針對不同錯動帶及裂隙組合進行了塊體穩(wěn)定分析，并進行了預(yù)應(yīng)力錨桿和錨索加強支護處理。下游側(cè)廠橫0+30—0+124 m，高程1244.5～1241 m由于發(fā)育錯動帶fxt01與裂隙相互擠壓構(gòu)成起伏，厚度變化較大（50～200 cm）的破碎影響帶，該帶巖體破碎，部分夾有不連續(xù)1 cm左右的泥條，性狀較差，條帶范圍內(nèi)含水較高，呈濕潤—浸水，圍巖類別為IV類。對拱肩及邊墻穩(wěn)定性不利。該條帶第Ⅰ層開挖過程中已大部分揭露。為了適應(yīng)下臥開挖引起的應(yīng)力場再次的調(diào)整，確保洞室穩(wěn)定，進行了加強支護處理。

4.3 地應(yīng)力因素

根據(jù)計算以及實際開挖可以看出，目前尾調(diào)室開挖中地應(yīng)力造成的影響應(yīng)屬于無巖爆—弱巖爆。根據(jù)實際開挖情況來看：尾調(diào)室節(jié)理、錯動帶發(fā)育，巖體較完整、較破碎，以塊、次塊狀、塊裂狀結(jié)構(gòu)為主，局部裂隙密集帶為鑲嵌—碎裂結(jié)構(gòu)。地下水較豐富，廠橫0+125—廠橫0+165 m全洞濕潤頂拱多處滴水，其余洞室濕潤，局部浸、滴水。上述不良地質(zhì)現(xiàn)象有利于釋放地應(yīng)力。同時開挖過程中、開挖后及支護后也很少發(fā)生地應(yīng)力過大產(chǎn)生的不良現(xiàn)象。加上根據(jù)巖爆分級局部可能發(fā)生低—中等巖爆以及裂縫的類型來看，也不是巖爆現(xiàn)象。但顯而易見，地應(yīng)力對裂縫肯定存在一定的影響，由于三維狀況下的地下巖體，開挖破壞后至平衡的過程中，肯定會發(fā)生應(yīng)力的釋放及松弛現(xiàn)象，在這一初始地應(yīng)力條件上的開挖引起圍巖應(yīng)力調(diào)整為頂拱噴層開裂提供了較強的應(yīng)力基礎(chǔ)。另外地應(yīng)力荷載水平方向較大，且最大荷載方向與洞室軸線斜角約40°，洞室圍巖就有可能產(chǎn)生環(huán)帶狀分層變形現(xiàn)象，造成開裂縫的發(fā)生。根據(jù)上述因素分析，地應(yīng)力雖然沒發(fā)生巖爆等破壞現(xiàn)象，但對裂縫的產(chǎn)生仍然起到很重要的原因。

4.4 噴護接縫

從施工支護來看，第一層中導(dǎo)洞開挖噴錨支護與第一層下游側(cè)擴挖噴錨支護，這兩次支護存在先后，它們之間的接觸部位為噴層的薄弱環(huán)節(jié)。從開裂縫的發(fā)育部位以及現(xiàn)場來看，對于噴護接縫開裂基本可以排除。

4.5 受力不均

另外數(shù)值計算表明，上、下游拱肩部位壓應(yīng)力水平差異較大，且下游拱肩壓應(yīng)力明顯大于上游拱肩，這種不均勻的壓應(yīng)力狀態(tài)，并不利于巖拱的荷載傳遞，對頂拱巖拱的形成產(chǎn)生不利影響；最小主應(yīng)力顯示頂拱部位松弛范圍較大且松弛深度在圍巖內(nèi)部影響較深，最大深度可以達(dá)到8 m左右，而在頂拱靠近臨空面的部位最小主應(yīng)力接近為零且存在拉應(yīng)力；從塑性區(qū)分布來看，拱座及其以上部位且距頂拱臨空面3 m左右范圍內(nèi)存在錯動帶時，頂拱范圍均存在張拉破壞、拉剪破壞或者剪切破壞，這與頂拱噴層裂縫表現(xiàn)形態(tài)基本一致；而且還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錯動帶在頂拱或拱肩時，錯動帶本身也產(chǎn)生了較大范圍的塑性區(qū)，而由此也會引起沿錯動帶的滑移變形。

5 結(jié)論

根據(jù)實際開挖揭露地質(zhì)情況，對尾調(diào)室工程地質(zhì)概況、開挖揭示的地質(zhì)條件及尾調(diào)室頂拱噴層裂縫的概況進行介紹，從施工因素、地質(zhì)因素、地應(yīng)力因素、噴護接縫、受力不均等因素進行了分析探討，認(rèn)為頂拱平行軸向開裂縫原因以結(jié)構(gòu)面因素、地應(yīng)力因素所致。

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