層間剪切帶對某水電站導流洞圍巖穩(wěn)定性的影響

田　嬌　朱金波

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

層間剪切帶對某水電站導流洞圍巖穩(wěn)定性的影響

田嬌朱金波

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要基于現(xiàn)場調(diào)查，分析了某水電站層間剪切帶特性，總結(jié)了其對導流洞穩(wěn)定性的影響規(guī)律。通過數(shù)值計算，分析了層間剪切帶對左岸中導洞及導流洞的影響，以及對右岸塊體穩(wěn)定性的影響，為確定該水電站導流洞的合適支護方案提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞層間剪切帶導流洞圍巖穩(wěn)定性

迄今為止，層間剪切帶作為一種特殊的軟弱結(jié)構(gòu)面，直接威脅壩基、邊坡、洞室圍巖的穩(wěn)定性，對工程建設(shè)的危害早已引起人們的廣泛關(guān)注。特別是在水利水電工程中，因為層間剪切帶發(fā)育而使工程被迫停工、延長施工周期、變更原設(shè)計方案，以及后期加固而追加投資等現(xiàn)象時有發(fā)生，甚至誘發(fā)工程失事的案例也不勝枚舉[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，國外不少工程由于層間剪切帶的危害導致發(fā)生了數(shù)十起垮壩事件，我國已建成和設(shè)計的90余座大壩中，由于層間剪切帶問題而改變設(shè)計、降低壩高或后期加固的有30余座。因此，深人研究層間剪切帶的工程性狀與工程災害問題，對于工程(特別是水電工程)的安全運營具有重大意義。 我國對層間剪切帶(有人也稱軟弱夾層)的研究工作最早可追溯到上世紀50年代，之后，在壩基、隧道、礦山邊坡等工程中都遇到過層間剪切帶間題，從而引起廣泛的注意和重視，其中以水電部門工作最多研究也較深人[2]。目前，關(guān)于層間剪切帶的研究已從單純的描述試驗進入多學科、多途徑、多手段的綜合研究[3-5]。本文以某水電站為例，以現(xiàn)場調(diào)查及數(shù)值計算為手段分析層間剪切帶對該水電站導流洞圍巖穩(wěn)定性的影響。

1某水電站層間剪切帶特性

普遍發(fā)育的層間和層內(nèi)剪切帶是工程中普遍關(guān)心的地質(zhì)缺陷，根據(jù)對某水電站平洞內(nèi)一些現(xiàn)象的觀察，認識到層間和層內(nèi)剪切帶的軟弱特性控制著變形和破壞，即層間剪切帶普遍存在厚度不等、性質(zhì)差別的軟弱充填現(xiàn)象，該現(xiàn)象決定了這些剪切帶的軟弱特性和潛在工程影響。最突出的是對左岸邊坡變形和穩(wěn)定，其次是在大型洞室的頂拱。此外，局部應力異常將導致應力型破壞，平洞中的片幫除與巖性和埋深存在聯(lián)系以外，還與層間剪切帶之間存在一定的空間關(guān)系，剪切帶局部地應力異常的工程影響不僅體現(xiàn)在地下工程頂拱一帶，在大壩壩基開挖過程中，其潛在影響范圍和程度也是需要關(guān)注的問題之一。

剪切帶在頂拱出露時是否一定造成破壞和潛在破壞范圍等受到幾個方面因素的影響，如剪切帶規(guī)律和性狀、兩側(cè)巖體完整條件、洞室跨度等。由于該水電站絕大多數(shù)的剪切帶為性狀相對較好的層內(nèi)構(gòu)造，因此，在很多情況下，剪切帶并不一定導致頂拱穩(wěn)定問題。中導洞開挖揭示了大量的小規(guī)模層內(nèi)剪切帶，并不是都導致了頂拱破壞，如圖1所示，小規(guī)模和性狀良好的剪切帶在頂拱出露時依然保持良好穩(wěn)定性。但是，在另一方面，當性狀相對較差、且延伸長度較大的剪切帶在頂拱被揭露時，圍巖即具備發(fā)生局部坍塌破壞的基本條件，甚至是現(xiàn)實中幾乎不可避免的工程現(xiàn)象。一般而言，工程中沒有必要采取措施避免這種局部破壞現(xiàn)象的產(chǎn)生，而是確定一個工程可以接受的破壞范圍(如破壞厚度)，作為支護設(shè)計的前提條件。比如，如果允許軟弱層間剪切帶和開挖輪廓線之間2m范圍出現(xiàn)垮塌(施工清除危巖范圍)，則支護設(shè)計針對2m以外、自穩(wěn)條件可能明顯不同的圍巖。圖2表示了性質(zhì)軟弱、厚度較大的層間剪切帶(C2)在中導洞邊墻出露的情形，緩傾的層間剪切帶在邊墻并不具備良好的臨空條件，因此可以保持相對良好的穩(wěn)定性。

圖1硬質(zhì)剪切帶不對頂拱穩(wěn)定造成明顯影響的實例

圖2　軟弱層間剪切帶在2號中導洞邊墻揭露情況

在地下工程掘進過程中，剪切帶軟弱特性導致圍巖產(chǎn)生變形或破壞之前有可能先經(jīng)歷一個潛在應力型破壞過程，潛在破壞是否變成現(xiàn)實問題取決于幾個方面的條件：①應力水平是否相對較高，足以導致巖體的破壞；②巖體特性是否滿足應力型破壞條件，如具有脆性特性且強度(應力水平)不是很高。也就是說，即便現(xiàn)實中剪切帶周邊存在一個傾向于導致應力型破壞的地應力異常帶，但并不意味這個異常帶一定導致應力型破壞現(xiàn)象。比如，左岸導流洞C2所在部位埋深顯著大于C3，在隧洞掘進過程中，C2附近出現(xiàn)了應力型破壞，而C3周邊沒有觀察到這種破壞的跡象。即便在埋深較大的部位如左岸地下廠房，如果剪切帶出露在洞室邊墻一帶時，地下工程開挖以后邊墻不出現(xiàn)二次應力集中現(xiàn)象，且垂直向為主、水平相對不高的主應力起到壓縮剪切帶的作用，此時也不具備導致高應力破壞的條件，使得剪切帶在邊墻出露時的松弛型塊體破壞(臨空條件控制)和應力型破壞均不如在頂拱時明顯。在應力條件相對易于導致圍巖應力型破壞的條件下，圍巖是否出現(xiàn)應力型破壞還與巖體結(jié)構(gòu)條件決定的力學特性密切相關(guān)。鑒于該水電站兩岸地下工程主要處于水平應力為主的條件下，頂拱應力集中是最容易導致應力型破壞的應力條件。 但是，如果巖體脆性特征相對不突出(如角礫熔巖)、或者與圍巖中最大主應力近于垂直的陡傾節(jié)理(如柱狀節(jié)理玄武巖)相對發(fā)育時，高應力的作用很可能是導致巖體相對均勻地變形、而不是應力型破壞，或者說，應力型破壞程度會相對減弱一些、但變形程度往往更大。

前面已經(jīng)敘述了針對頂拱應力型破壞的支護和施工技術(shù)要求，不過，解決這類問題的最優(yōu)辦法不是支護，首選應是優(yōu)化開挖布置，如圖3所示，通過優(yōu)化施工支洞布置，使得主洞掌子面從剪切帶上盤向著掌子面方向的掘進方式可望有效地減緩潛在應力型破壞的嚴重程度和施工技術(shù)難度。

圖3　掘進方向?qū)鷰r穩(wěn)定性影響示意圖

2層間帶C2對左岸中導洞及導流洞的影響

軟弱層間帶對頂拱圍巖穩(wěn)定影響程度除受到剪切帶規(guī)模和性狀的影響以外，還與開挖跨度密切相關(guān)。導流洞開挖尺寸(跨度×高度=20m×24.5m)比中導洞(跨度×高度=8.5m×7m)明顯增大，顯然成了設(shè)計工作需要考慮的問題之一。由圖4和圖5可見，洞室規(guī)模導致C2部位變形和應力集中的差異：①導流洞全斷面開挖后，變形量級總體增大，但邊墻仍然相對錯動變形小于20mm，穩(wěn)定性良好；頂拱局部大變形范圍明顯增大，結(jié)構(gòu)面輔助切割可能形成危巖體，必要時考慮清除；②導流洞全斷面開挖后，C2下方高應力集中范圍和程度都明顯增大。由于頂拱C2下方大變形實際上經(jīng)歷了高應力破壞過程，因此，局部大變形區(qū)域的增大和應力集中范圍的增大，這一特征指示該部位的局部高應力破裂風險增大；③高應力破裂問題都存在時間效應，因此必須強調(diào)支護及時性和系統(tǒng)性。

圖4左岸C2部位中導洞圖5左岸C2部位中導洞

(上)和導流洞(下)(上)和導流洞(下)開挖

開挖變形對比圖頂拱應力集中對比圖

3層間帶C2對右岸塊體穩(wěn)定性的影響

通常地，軟弱層間帶在頂拱出露時是否一定造成破壞和潛在破壞性質(zhì)與范圍等受到幾個方面因素的影響，如剪切帶規(guī)律和性狀、兩側(cè)巖體完整條件、初始地應力條件、洞室跨度等。與左岸1號導流洞C2基本條件不同地，右岸5號導流洞埋深(僅100～130m)明顯小于左岸，由于應力水平相對較低，不足以導致明顯的應力型破壞，因此在在隧洞掘進過程中C2周邊沒有觀察高應力破壞跡象。當性狀相對較差、且延伸長度較大的剪切帶在頂拱被揭露時，即具備發(fā)生局部坍塌破壞的基本條件，甚至是現(xiàn)實中幾乎不可避免的工程現(xiàn)象。但這種破壞可以區(qū)別為中高應力條件下的應力型坍塌和中低應力條件下結(jié)構(gòu)面控制的重力型塊體破壞。初步判斷，右岸5號導流洞出口段C2部位不出現(xiàn)應力型破壞，但可能存在結(jié)構(gòu)面組合下的塊體穩(wěn)定問題。圖6表示右岸5號導流洞出口段C2部位定位結(jié)構(gòu)面的切割關(guān)系。

圖6　右岸5號導流洞出口段C2部位

由圖6可見，定位的層內(nèi)帶、小斷層并未形成具備獨立邊界條件的塊體。因此，對于潛在的塊體穩(wěn)定問題還取決于次級結(jié)構(gòu)面的輔助切割作用，其包括層面、NW優(yōu)勢節(jié)理組和NE優(yōu)勢節(jié)理組。由于埋深較小的河谷近岸坡部位，初始應力條件受河谷改造作用明顯，在缺乏近區(qū)域地應力測量資料的基礎(chǔ)上，本項研究工作采用了假設(shè)自重應力條件和河谷應力條件2種計算分析。前者最不利于頂拱穩(wěn)定，而后者不利于邊墻穩(wěn)定。從而，可以從相對極端的假設(shè)條件下，分析最不利條件下的圍巖穩(wěn)定特征，成為設(shè)計工作的依據(jù)。

圖7表示，自重應力條件下，頂拱C2下方巖體較大范圍變形量較大，特別是次級結(jié)構(gòu)面的輔助切割作用下，使得大變形區(qū)域明顯增大。

圖7　假設(shè)重力條件下，不考慮(左)和考慮(右)

圖8表示河谷應力條件下的變形分布特征。由于考慮了水平向應力的增大，使得邊墻變形整體增大，但受C2和層內(nèi)帶影響的相對錯動變形量級仍然較小，受結(jié)構(gòu)面影響的邊墻穩(wěn)定性良好。另一方面，考慮初始應力條件對于頂拱穩(wěn)定顯然是有利的，即使是C2下方的大變形范圍和變形量級也有明顯減小。

圖8　河谷應力條件下，不考慮(左)和考慮(右)

4結(jié)論

層間剪切帶軟弱特性導致的變形和破壞與剪切帶的臨空條件直接相關(guān)，其對工程潛在的影響為：①對頂拱圍巖穩(wěn)定的影響大于邊墻，這一特點不僅通過數(shù)值計算得以論證，而且在中導洞開挖中得到了揭示；②對頂拱圍巖穩(wěn)定影響程度除受到剪切帶規(guī)模和性狀的影響以外，還與開挖跨度密切相關(guān)，這也是設(shè)計工作需要研究的問題之一。導流洞全斷面開挖后，局部高應力破裂風險增大，必須強調(diào)支護及時性和系統(tǒng)性。

參考文獻

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收稿日期：2014-10-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.037