西南某水電站廠房平洞圍巖變形破壞特征分析

李曉龍，王家興，臧立超，謝琨

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610059）

西南某水電站廠房平洞圍巖變形破壞特征分析

李曉龍，王家興，臧立超，謝琨

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610059）

西南某水電站廠房平洞CPD1巖性組合較為復(fù)雜，且片理面發(fā)育。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示，洞室圍巖變形破壞特征主要包括三種類型:結(jié)構(gòu)型破壞、構(gòu)造—應(yīng)力型破壞、應(yīng)力型破壞。主洞圍巖總體穩(wěn)定性良好，部分洞段出現(xiàn)掉塊及劈裂傾倒破壞；支洞開(kāi)挖方向與片理面方向小角度相交，圍巖總體自穩(wěn)性較差，在高地應(yīng)力情況下出現(xiàn)嚴(yán)重的彎折內(nèi)鼓現(xiàn)象，需采取一定的支護(hù)措施。

變形破壞特征；地應(yīng)力；片理面；巖體結(jié)構(gòu)

引言

地下洞室的開(kāi)挖過(guò)程實(shí)際上是圍巖卸荷，初始應(yīng)力得到釋放的一個(gè)過(guò)程，同時(shí)在洞室周圍一定范圍內(nèi)，會(huì)發(fā)生應(yīng)力重分布，加上巖體自身強(qiáng)度、巖體構(gòu)造以及地下水等各個(gè)因素的影響，洞室圍巖會(huì)發(fā)生不同類型、不同程度的變形破壞。圍巖破壞不僅對(duì)人身安全造成了一定的威脅，還會(huì)造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。因此分析研究地下工程圍巖巖體的變形破壞特征，對(duì)采取經(jīng)濟(jì)合理又安全的支護(hù)措施具有一定的指導(dǎo)意義。目前已經(jīng)做出了類似這方面的研究［1-5］，但是關(guān)于軟巖洞段的圍巖變形破壞特征，還需進(jìn)一步探究。

西南某水電站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴縣境內(nèi)的大渡河干流上，為大渡河干流22級(jí)梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的第8級(jí)梯級(jí)電站。工程采用混合方式開(kāi)發(fā)，總裝機(jī)容量約為1196.6 MW。電站屬二等大（2）型工程。本文主要針對(duì)于該水電站廠房平洞及支洞圍巖變形破壞情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并分析各因素對(duì)圍巖變形破壞的影響，從而更好地為工程建設(shè)服務(wù)。

1 廠區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地層巖性

根據(jù)CPD1平洞各段巖性、物理力學(xué)性質(zhì)的不同，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，平洞均為志留系茂縣群Smx4地層，所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜。

根據(jù)巖性分布特征將已開(kāi)挖洞段分為三段，如圖1所示。其中K0～K0+900與K1+710～K1+770洞段為軟巖段，主要由石英云母片巖組成，夾云母石英片巖和變粒巖，以及石英脈，局部偶見(jiàn)角閃巖脈；K0+900～K1+710 m洞段為硬巖段，其巖性為志留系茂縣群Smx4-1，主要由變粒巖、云母石英片巖組成，一般呈互層狀，局部相互摻雜，局部段見(jiàn)石英脈，偶見(jiàn)侵入的角閃巖脈。

1.2 巖體結(jié)構(gòu)特征

平洞內(nèi)主要發(fā)育順層擠壓破碎帶、原生結(jié)構(gòu)面及構(gòu)造裂隙。順層擠壓破碎帶18條，走向主要為N55～85° W，與片理面產(chǎn)狀基本一致。裂隙型結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢(shì)走向大致為NE向，其次為北北西（NNW）和北西西（NWW）方向，如圖2所示。平洞軸線方向?yàn)镹8～10°W，NE向結(jié)構(gòu)面與洞軸線大角度相交，對(duì)圍巖穩(wěn)定影響較??；NNW向結(jié)構(gòu)面與洞軸線近于平行，對(duì)洞室圍巖的穩(wěn)定性影響較大；NWW向結(jié)構(gòu)面與洞軸線小角度相交，不利于圍巖穩(wěn)定。

1.3 地下水

該洞室位于侵蝕構(gòu)造中高山區(qū)，地形較陡，切割較深，降水入滲條件差，地下水徑流條件較好，孔隙水不發(fā)育，地下水儲(chǔ)存條件較差，主要以基巖裂隙水的形式存在?；鶐r裂隙水主要出露于云母石英片巖、石英云母片巖及石英巖地層中，層狀結(jié)構(gòu)，巖體完整性總體較好，透水性較差。所以含水量較少。地下水在石英巖中主要以構(gòu)造裂隙水的形式存在，但由于石英巖分布不甚廣泛，故構(gòu)造裂隙水量也較少。根據(jù)地表測(cè)繪及各探洞揭示，各探洞僅局部洞段有少量滲流（滴）水或潮濕。

1.4 地應(yīng)力

現(xiàn)場(chǎng)采用水壓致裂法測(cè)試地應(yīng)力狀態(tài)。測(cè)試成果表明，當(dāng)隧洞埋深小于150 m時(shí)，其最大主應(yīng)力為2 MPa～10 MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹15～28°W，屬于低地應(yīng)力區(qū)；埋深150 m～600 m時(shí)，最大主應(yīng)力為10 MPa～17 MPa之間，最大主應(yīng)力方向約為N22～36°W，傾角-23～-34°，屬于中等地應(yīng)力區(qū)；隧洞埋深在600 m～1200 m之間，其最大主應(yīng)力為27.01 MPa～31.22 MPa，屬于高地應(yīng)力區(qū)，1200 m至平洞掌子面亦屬于高地應(yīng)力區(qū)，主要受構(gòu)造應(yīng)力影響。已測(cè)洞段地應(yīng)力分段示意圖如圖3所示。

2 巖體破壞特征分析

在地下結(jié)構(gòu)工程中，隨著地下洞室開(kāi)挖的同時(shí)，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，加上地下巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖體強(qiáng)度各異，在應(yīng)力集中程度較高、巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較低的部位，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比較低，往往由于無(wú)法滿足開(kāi)挖狀態(tài)下的二次應(yīng)力狀態(tài)而導(dǎo)致變形與破壞。隨著起始部位破壞程度的加深，引發(fā)鄰近次薄弱部位圍巖的破壞，如此逐次引發(fā)連鎖反應(yīng)，最終可能導(dǎo)致大范圍圍巖的失穩(wěn)破壞。結(jié)合以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析得知，地下洞室圍巖破壞特征受地應(yīng)力狀態(tài)、巖體強(qiáng)度、地下水、巖體結(jié)構(gòu)以及支護(hù)方式等因素的共同影響。因此，不同地下結(jié)構(gòu)條件下，圍巖變形破壞特點(diǎn)具有明顯的差異性。

根據(jù)丹巴水電站廠房平洞CPD1現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料得知，洞室整體圍巖穩(wěn)定性良好，局部存在一定程度的變形破壞；隨著洞深的增加，各個(gè)影響因素均發(fā)生不同程度的變化，因此在不同洞段圍巖具有不同的變形破壞特征。對(duì)于引起圍巖破壞的主控因素，初步將其圍巖破壞特點(diǎn)劃分為三種主要破壞類型，即結(jié)構(gòu)面控制型、結(jié)構(gòu)面—應(yīng)力復(fù)合控制型、應(yīng)力控制型。

2.1 結(jié)構(gòu)面控制型

結(jié)構(gòu)面控制型破壞主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育且埋深較淺的洞段，破壞部位主要集中在拱頂、拱肩、邊墻位置處?？刂菩徒Y(jié)構(gòu)面組合情況主要包括三種情況∶一是NE向中傾洞外結(jié)構(gòu)面、NNW向緩傾結(jié)構(gòu)面和NWW向?qū)娱g錯(cuò)動(dòng)結(jié)構(gòu)面之間相互組合，或與由于卸荷作用產(chǎn)生的次生結(jié)構(gòu)面組合形成體積較小的不穩(wěn)定塊體，巖體應(yīng)力釋放完全，塊體在重力作用下產(chǎn)生松動(dòng)掉落；二是NE向中傾洞外結(jié)構(gòu)面密集發(fā)育，在洞室開(kāi)挖卸荷作用下，局部張開(kāi)，巖體完整性較差，產(chǎn)生局部掉塊；三是層間擠壓破碎帶及其影響帶，巖體較為破碎，在重力作用下易發(fā)生掉塊，局部發(fā)生構(gòu)造型坍塌。結(jié)構(gòu)型控制破壞及現(xiàn)場(chǎng)典型破壞情況如圖4、圖5所示。

2.2 構(gòu)造應(yīng)力型

構(gòu)造應(yīng)力控制型又稱結(jié)構(gòu)面—應(yīng)力復(fù)合控制型，是指圍巖破壞主要由巖體結(jié)構(gòu)與地應(yīng)力兩因素共同控制，兩者影響程度較為均衡。此破壞類型主要是由于高應(yīng)力區(qū)深埋洞段的巖體屈服破壞和能量釋放，誘發(fā)結(jié)構(gòu)面應(yīng)力型破壞的斷裂，往往規(guī)模不大，基本上都是剛性接觸現(xiàn)象。常見(jiàn)的斷裂包括單條剪性斷裂或多條節(jié)理組合成的剪切帶。大規(guī)模斷層、特別有軟弱充填物的斷層一般不誘發(fā)結(jié)構(gòu)面應(yīng)力型破壞。

從CPD1平洞揭露的情況看，破壞集中在拱頂、拱肩及拱腳一帶，破壞邊緣近似呈水平狀，原因在于此類破壞類型所在洞段普遍存在與主洞洞軸線夾角相對(duì)較小的緩傾剛性結(jié)構(gòu)面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料揭示，此類洞段巖體強(qiáng)度較高，巖性以較軟巖或中硬巖為主。結(jié)構(gòu)面—應(yīng)力復(fù)合控制型控制破壞及現(xiàn)場(chǎng)典型破壞情況如圖6、圖7所示。

2.3應(yīng)力控制型

應(yīng)力控制型破壞，即圍巖的破壞特征的誘發(fā)主控因素為地應(yīng)力狀態(tài)。此種破壞類型主要發(fā)生在高應(yīng)力深埋洞段，且?guī)r體結(jié)構(gòu)較為完整，無(wú)明顯軟弱結(jié)構(gòu)面。由于軟巖本身具有片理面的存在，力學(xué)性質(zhì)具有明顯的各向異性［6］，應(yīng)力控制型破壞又可以根據(jù)軟巖片理面與洞室軸線夾角的不同劃分為劈裂傾倒型破壞、彎折內(nèi)鼓型破壞兩種主要破壞類型。

（1）劈裂傾倒型破壞

劈裂傾倒型破壞主要發(fā)生在主洞洞頂、拱肩、邊墻部位，由圖8知廠房平洞CPD1主洞洞軸線方向與巖體片理面方向呈大角度相交，巖體無(wú)法順片理面發(fā)生破壞。在地應(yīng)力作用下，巖體強(qiáng)度應(yīng)力比較小，巖體自身強(qiáng)度無(wú)法滿足二次應(yīng)力狀態(tài)，巖體沿臨空面方向發(fā)生破壞，應(yīng)力得以釋放，宏觀表現(xiàn)為主洞圍巖劈裂傾倒破壞。劈裂傾倒型破壞及現(xiàn)場(chǎng)典型破壞特征如圖9、圖10所示。

（2）彎折內(nèi)鼓型破壞

彎折內(nèi)鼓型破壞主要發(fā)生在支洞左右邊墻部位。由圖8知支洞開(kāi)挖方向與巖體片里面方向基本平行，開(kāi)挖的結(jié)果則是造成巖體片理面臨空面的出現(xiàn)。主應(yīng)力方向與巖體片理面方向呈大角度相交，順片里面方向巖體內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，隨著裂紋逐步擴(kuò)張，邊墻巖體內(nèi)部順片理面裂紋貫通，出現(xiàn)剪切拉張破壞，最終表現(xiàn)為宏觀的彎折內(nèi)鼓型破壞。彎折內(nèi)鼓型破壞及現(xiàn)場(chǎng)典型破壞特征如圖11、圖12所示。

支洞開(kāi)挖后總體自穩(wěn)能力較差，圍巖變形破壞情況較為嚴(yán)重。為防止洞室變形程度的進(jìn)一步惡化，在洞室開(kāi)挖的同時(shí)對(duì)左右邊墻及拱肩采用錨桿等支護(hù)方式方能滿足經(jīng)濟(jì)、安全的需求。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)丹巴水電站廠房平洞CPD1現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料得知，洞室整體圍巖穩(wěn)定性良好，局部存在一定程度的變形破壞。隨著洞深的增加，圍巖具有不同變形破壞特征。

（2）由圍巖變性破壞誘發(fā)因素，初步將其圍巖破壞特點(diǎn)劃分為三種主要破壞類型∶結(jié)構(gòu)面控制型、結(jié)構(gòu)面—應(yīng)力復(fù)合控制型和應(yīng)力控制型。

（3）深埋高應(yīng)力洞段，圍巖的應(yīng)力控制型破壞又可以根據(jù)軟巖片理面與硐室軸線夾角的不同劃分為劈裂傾倒型破壞、彎折內(nèi)鼓型破壞兩種主要破壞類型。

（4）主洞圍巖穩(wěn)定性良好，局部出現(xiàn)掉塊及邊墻、拱肩劈裂剝落現(xiàn)象，自穩(wěn)性良好，無(wú)需人工支護(hù)；支洞開(kāi)挖方向與片理面方向小角度相交，圍巖變性破壞情況較為嚴(yán)重，左右邊墻彎折內(nèi)鼓現(xiàn)象明顯，在左右邊墻及拱肩采用錨桿支護(hù)基本能夠滿足安全要求。

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Analysis About the Sorrouding Rock Damage Characteristics of the Adit in a Southwest Hydropwer

LIXiaolong，WANG Jiaxing，ZANG lichao，XIE Kun
（State Key Laboratory of GeoHazard Prevention and GeoEnvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

The adit CPD1 of a hydropower station in the southwestwhose lithology ismore complicated contains a lot of schistosity plane.Based on the site survey results，themain characteristics types of surrounding rock deformation and failure include structural damage，structural-stress damage and stress damage.Except some holes appear chip off-falling and the splitting dumping damage，the general stability of surrounding rock is good.However，when the direction of tunnel excavation and schistosity plane direction are small angle intersecting，the overall stability of surrounding rock is poorer.Especially severe bending inner drum phenomenon will be come out under the condition of high ground stress，it is necessary to take certain supportmeasures.

deformation and failure characteristics；geostress；schistosity plane；rock structure

U456.3+1

A

1673-1549（2014）01-0069-04

10.11863/j.suse.2014.01.18

2013-11-06

地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自由探索項(xiàng)目（SKLGP2011Z009）

李曉龍（1988-），男，河南濮陽(yáng)人，碩士生，主要從事地下工程，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)與評(píng)估方面的研究，（E-mail）lixiaolongzhe@163.com