西南某水電站地下廠房頂拱襯砌裂損機(jī)理探討

曾晉 李然

西南某水電站地下廠房頂拱襯砌裂損機(jī)理探討

曾晉 李然

通過對水電站地下廠房頂拱襯砌裂損進(jìn)行分析探討,揭示了襯砌裂損的機(jī)理,并指出開挖過程中,順層巖體的順層滑移產(chǎn)生偏壓是主要原因,提出了初步的修復(fù)措施,以提高地下廠房圍巖巖層的抗彎剛度及強(qiáng)度。

襯砌裂損,偏壓,順層滑移,修復(fù)措施

1 水電站地下廠房頂拱裂損概況

該水電站為引水式發(fā)電,位于四川省涼山州境內(nèi),工程區(qū)位于夏炎冬寒的高山峽谷地帶,海拔高程 600m～1 400m。

水電站地下主廠房廠縱軸線方位角為 N 70°W,水平埋深175m～195m,垂直埋深 115m～135m的山體內(nèi),廠房開挖寬度18.6m,廠房最大高度 39.6m。主、副廠房“一”字形布置,其中主廠房全長 64m,副廠房全長 11m。

地下廠房圍巖巖性為震旦系燈影組(Zbd3-1)灰白色細(xì)晶白云巖,層狀結(jié)構(gòu),巖層總體產(chǎn)狀為 N60°～ 70°E/SE∠30°～ 40°,微傾山外偏下游。層厚一般0.8m～2.0m,部分大于 2m,呈厚層 ～巨厚層狀。根據(jù)可研階段試驗成果,飽和抗壓強(qiáng)度為 Rb=89.65MPa～96.4MPa,為堅硬巖,以Ⅲ類偏差為主。

施工方在進(jìn)行廠房開挖爆破過程中,發(fā)現(xiàn)廠房頂拱中心偏下游部位襯砌混凝土有多處開裂掉塊,掉塊部位混凝土外層鋼筋出露呈“V”字形,且出現(xiàn)有多條沿廠房軸線方向裂縫,并有繼續(xù)發(fā)展的跡象。廠房頂拱襯砌開裂掉塊主要集中在拱部右側(cè)拱腰處,從破壞的不對稱性看,頂拱受力也是不對稱的,說明襯砌具有明顯偏壓。

2 地下廠房頂拱襯砌裂損機(jī)理的探討

2.1 順層巖體的滑移作用

層狀巖體地下洞室圍巖的受力破壞規(guī)律如圖 1所示,左側(cè)邊墻中部一定范圍內(nèi),巖體單元在最大主應(yīng)力的作用下,易發(fā)生順層滑移。對于地下廠房左側(cè)邊墻(順傾向側(cè)邊墻)的巖體,順層滑動可以直接導(dǎo)致巖塊向洞內(nèi)松動、下滑;而右側(cè)邊墻(反傾向側(cè)邊墻)的巖體,巖體的順層滑動由于受深部巖層的約束,巖體相對較穩(wěn)定;拱部左側(cè)的巖體最大主應(yīng)力與層面垂直,其破壞的可能性最小,只能發(fā)生剪斷破壞;拱部右側(cè)的巖體,由于最大主應(yīng)力平行層面,易發(fā)生順層面的滑移,對于圍巖強(qiáng)度較低的無支護(hù)洞室極可能發(fā)生彎折破壞,對于巖體強(qiáng)度較高或者有支護(hù)洞室,往往拱腰部位支護(hù)發(fā)生壓曲破壞。

而本工程地下廠房圍巖巖層總體產(chǎn)狀為 N60°～70°E/SE∠30°～40°,巖層走向與路線走向交角為 5°～20°,傾向廠房右側(cè),巖層層理發(fā)育,層面順直、光滑。由于巖層走向與傾角不利,加之層理發(fā)育,左側(cè)邊墻巖塊向洞內(nèi)松動,拱部右側(cè)拱腰形成順層滑移引起偏壓從而擠壓右側(cè)襯砌發(fā)生破壞。同時也說明了引起洞室偏壓的因素不單單是上覆地形因素,地質(zhì)構(gòu)造作用也是至關(guān)重要的。

2.2 順層擠壓錯動帶的影響

廠房頂拱襯砌完畢后,開始進(jìn)行第Ⅱ?qū)?、第Ⅲ層開挖,開挖至591m高程,在上下游邊墻各出露一條沿巖層層面發(fā)育的順層擠壓錯動帶 f1,f2,具體見圖 2。

出露于左側(cè)邊墻的 f1傾向邊墻臨空面,傾角 30°～40°,在邊墻上出露長度約 37m(隨著向下開挖有繼續(xù)延伸跡象),受風(fēng)化、溶蝕影響及次生充填物,帶內(nèi)物質(zhì)性狀差,另外還普遍存在寬2 cm～6 cm,局部寬 20 cm～30 cm的空縫。上述表明 f1對內(nèi)側(cè)邊墻穩(wěn)定極為不利。出露于右側(cè)邊墻的f2順層擠壓錯動帶整體視傾山外偏下游,延伸長度約 37m,帶寬一般 0.5 cm～5 cm,局部可達(dá) 10 cm～20 cm,錯動帶性狀差。

左側(cè)邊墻錯動帶層面傾向廠內(nèi),這樣不但助長了拱部順層巖體的滑移,而且會導(dǎo)致拱座內(nèi)移,壓縮拱軸向變形,使得拱在下游1/4處的內(nèi)力增大,如圖 3所示。

2.3 施工對地下廠房頂拱襯砌裂損的影響

地下廠房頂拱、邊墻開挖質(zhì)量較差,超挖量大,壁面凹凸不平,根據(jù)施工提供的實測資料,頂拱局部地方超挖達(dá) 3m左右。部分實測開挖斷面見圖4。

從圖 4可以看出：開挖過程中超挖的部位主要集中在頂拱的左側(cè)部位,襯砌前由于回填不實,圍巖變形時可能對左側(cè)襯砌產(chǎn)生沖擊,使得頂拱左側(cè)拱座承受的力大于右側(cè)拱腳,加之順層結(jié)構(gòu)面的存在,助長了左側(cè)拱座向洞滑移,導(dǎo)致右側(cè)拱腰內(nèi)力過大。其作用與前面論述的順層擠壓錯動帶的影響基本一致。

在圖 4中,右側(cè)頂拱再開挖過程中有尖角產(chǎn)生,這對圍巖受力很不利,甚至?xí)斐苫炷烈r砌拱的某些部位應(yīng)力集中,當(dāng)應(yīng)力集中程度超過混凝土強(qiáng)度時發(fā)生開裂,并且因超挖過多的部位,外露錨桿與頂拱鋼筋網(wǎng)無法焊接(也未用彎鉤鋼筋搭接),導(dǎo)致錨桿外露段澆筑在素混凝土中,未與頂拱鋼筋網(wǎng)形成整體受力。地下廠房頂拱產(chǎn)生裂縫不排除這個因素。

3 地下廠房頂拱襯砌裂損修復(fù)措施

左右側(cè)邊墻實施預(yù)應(yīng)力錨索加固,穿過層面滑動帶。同時對邊墻上較破碎的巖石(主要集中在滑動帶洞段)進(jìn)行固結(jié)灌漿。

對拱部右側(cè)圍巖進(jìn)行加固防止巖體順層滑移擠壓襯砌。具體措施是在右側(cè)拱腰位置安設(shè)了基本垂直巖層層面的加密加長錨桿,通過錨桿的軸向作用力將巖層各分層夾緊,增強(qiáng)各分層巖體間的摩擦,抑制巖體下滑。并借助錨桿自身的橫向承載能力提高巖層各分層間的抗剪切強(qiáng)度以及層間粘結(jié)程度,使各分層在彎矩作用下發(fā)生整體彎曲變形,呈現(xiàn)出組合梁的彎曲變形特征,從而提高巖層的抗彎剛度及強(qiáng)度。

頂拱混凝土襯砌裂損處的修復(fù)必須在邊墻和圍巖加固處理完成后才能進(jìn)行。對于掉塊但沒有出露鋼筋的部位,將掉塊周邊切割成規(guī)則形狀,將缺陷處鑿至混凝土密實處,清洗干凈表面,采用聚合物砂漿進(jìn)行表面壓實抹平修補(bǔ)。如果凹腔內(nèi)有裂縫的要鉆孔灌環(huán)氧材料至密實。若掉塊處已露鋼筋,周邊切割成規(guī)則形狀,將缺陷處鑿至混凝土密實處鋼筋以內(nèi)至少 5 cm,清洗干凈鋼筋與鑿除后的混凝土表面,采用聚合物砂漿進(jìn)行壓實抹平修補(bǔ)。如果凹腔內(nèi)有縫的要鉆孔灌聚合物砂漿至密實。頂拱內(nèi)層鋼筋受壓變形,并呈“V”字形的,已經(jīng)屈服破壞,不能再作為受力鋼筋,在修補(bǔ)混凝土前,可以先開槽粘錨鋼板帶,以補(bǔ)充受損鋼筋。

對開裂但還未掉塊、已經(jīng)開裂翹起的部位,將壓壞的混凝土全部鑿除,裂縫先鉆孔灌環(huán)氧材料至密實,凹腔處用環(huán)氧材料壓實抹平修復(fù)。

4 結(jié)語

本文對西南某水電站地下廠房襯砌破壞段的分析,揭示了地下廠房襯砌裂損的機(jī)理：1)對于偏壓地下洞室,影響洞室穩(wěn)定的主要因素除了地形偏壓的影響外,更重要的是地質(zhì)構(gòu)造偏壓的影響;2)從順層巖體洞室圍巖受力情況看,對于地下廠房拱部圍巖,拱部左側(cè)巖體最大主應(yīng)力與層面垂直,其破壞的可能性最小,拱部右側(cè)巖體,由于最大主應(yīng)力平行于層間結(jié)構(gòu)面,易造成順層滑移,對于圍巖強(qiáng)度較低、無支護(hù)洞室極可能發(fā)生類似于板的彎折破壞,對于巖體強(qiáng)度較高或者有支護(hù)洞室,往往拱腰部位支護(hù)發(fā)生潰屈破壞;3)水電站地下廠房,在施工中,重點(diǎn)加強(qiáng)的部位是右側(cè)拱部和左側(cè)邊墻,以減弱偏壓對圍巖穩(wěn)定的不利影響;4)水電站地下廠房襯砌裂損是由于順層巖體產(chǎn)生順層滑移擠壓襯砌,同時是地質(zhì)缺陷、設(shè)計參數(shù)、不良施工等因素共同作用的結(jié)果。

[1]徐發(fā)俊.洋條公路隧道病害分析和整治[J].隧道及地下工程,1995,16(3)：28-29.

[2]蒲春平.隧道襯砌的裂縫與滲水及其整治研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)碩士論文,1998.

[3]鄭玉欣.隧道施工塌方機(jī)理分析及處治技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報,1992(1)：92-93.

[4]楊新安,黃宏偉.隧道病害與防治[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,2003.

[5]趙國旗.鐵路隧道襯砌開裂病害整治方法初探[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,1996,15(4)：35-36.

[6]陳榮魁.福建霞浦赤嶺隧道地質(zhì)病害及其處治措施[J].巖土工程界,2003,6(12)：21-22.

[7]張 偉,李夕兵,宮鳳強(qiáng),等.公路隧道襯砌裂縫成因分析及數(shù)值模擬研究[J].工程建設(shè),2007(5)：8-9.

[8]喻 暢.坪頭水電站地下廠房頂拱裂縫原因分析和處理報告[R].2007.

[9]羅英杰.蓮花山 1號隧道病害的綜合治理[J].地下工程,2003(8)：111-112.

[10]黃成光.公路隧道施工[M].北京：人民交通出版社,2001.

Discussion on themechanism of a southwest hydropower station underground workshop roof arch lining crack and damage

ZENG Jin LI Ran

Through the discussion and analysis of hydropower station underground workshop roof arch lining crack,reveals the mechanisms of arch lining crack and damage,and points out that thebias p roduction of bedding slidingof the layerof rock is themain reasons,puts forward the prelim inary repairmeasures to imp rove the stiffness and strength of underground powerhouse rock strata.

lining crack and damage,bias,bedding sliding,repairmeasures

TU923

A

1009-6825(2011)09-0094-02

2010-11-25

曾 晉(1983-),男,碩士,助教,成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院土木工程系,四川樂山 614000

李 然(1982-),男,碩士,助教,成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院土木工程系,四川樂山 614000