高地應力下地下廠房圍巖破壞特征及地質(zhì)力學機制

李志鵬，徐光黎，董家興, 2，儲漢東，王金生，陳春文

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高地應力下地下廠房圍巖破壞特征及地質(zhì)力學機制

李志鵬1，徐光黎1，董家興1, 2，儲漢東1，王金生3，陳春文3

(1. 中國地質(zhì)大學(武漢) 工程學院，湖北武漢，430074；2. 昆明理工大學電力工程學院，云南昆明，650500；3. 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都，610072)

結合前期地質(zhì)勘查、施工期地質(zhì)編錄及其他施工信息，分析四川猴子巖水電站地下廠房圍巖及支護結構變形開裂特征，對圍巖變形破壞的地質(zhì)力學機制進行研究，并對后續(xù)開挖支護提出相應的工程應對措施。研究結果表明：主廠房圍巖破壞以應力驅(qū)動型為主，本質(zhì)上是高地應力和低強度應力比造成的；廠區(qū)地應力及其方向使得主廠房上下游側(cè)巖錨梁?拱肩之間邊墻部位的切向應力加載效應明顯，圍巖易于壓致劈裂；利用應力莫爾圓解釋了該地區(qū)圍巖易于出現(xiàn)破壞的原因。

高地應力；巖石力學；圍巖劈裂；地質(zhì)力學機制；猴子巖水電站

猴子巖水電站位于四川省甘孜州康定縣境內(nèi)，是大渡河干流水電規(guī)劃開發(fā)方案的第9個梯級電站。壩址區(qū)位于色龍溝口至折駱溝口河段，全長3.8 km，河道略成“S”型流向，壩址河谷狹窄，河谷形態(tài)呈較對稱的“V”型谷。地下廠房系統(tǒng)位于大渡河右岸變質(zhì)灰?guī)r地層中，水平埋深280~510 m，垂直埋深400~660 m[1?2]。廠區(qū)實測最大主應力高達36.43 MPa，圍巖強度應力比為2~4，處于高地應力狀態(tài)。由于地下廠房區(qū)巖體結構復雜、高地應力等因素的影響，地下主廠房在施工開挖過程中出現(xiàn)了較多的圍巖變形破壞現(xiàn)象。自2013?05起，在主廠房上下游側(cè)巖錨梁開始出現(xiàn)裂縫、伸縮縫錯動；2013?09，巡視發(fā)現(xiàn)巖錨梁?拱肩之間邊墻出現(xiàn)了嚴重的圍巖劈裂、砼噴層鼓脹開裂、錨墩內(nèi)陷等破壞現(xiàn)象；2013?10，參建人員對上述圍巖變形破壞現(xiàn)象進行了詳細地質(zhì)素描，獲得第一手現(xiàn)場資料。由于上述圍巖破壞的存在，造成主廠房開挖停滯，工期延誤[3?4]。針對猴子巖水電站地下廠房高地應力、低強度應力比條件下的圍巖開挖變形破壞問題，本文作者在綜合分析前期地應力測試資料以及施工期地質(zhì)編錄、內(nèi)觀監(jiān)測、物探檢測、現(xiàn)場詳查及施工資料的基礎上，分析猴子巖水電站地下廠房圍巖破壞特征，并對圍巖破壞的地質(zhì)力學機制進行闡述，以便為地下廠房的后續(xù)開挖和加固提供地質(zhì) 依據(jù)。

1 工程概況

1.1 洞室群布置及開挖進程

猴子巖水電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置于大渡河右岸，總裝機容量為1 700 MW(4×425 MW)。地下洞室群規(guī)模巨大，主要由壓力管道、排水廊道、排風豎井、主廠房、母線洞、出線洞、主變室、尾水調(diào)壓室、尾水連接洞以及尾水洞等組成，三大洞室平行布置(見圖1)。主廠房軸線方向N61°W，廠房全長224.4 m，巖錨梁以上跨度為29.2 m，以下跨度為25.8 m，最大開挖高度70.5 m。主變室位于主廠房下游，兩者之間巖墻厚46.7 m，主變室長×寬×高為141.0 m× 18.80 m×25.2 m。尾調(diào)室位于主變室下游，兩者之間巖墻厚44.75m，尾調(diào)室共設置2個調(diào)壓室，長×寬×高分別為66.2 m×23.5 m×75 m和59.3 m× 23.5 m×75 m，2個調(diào)壓室之間巖隔墩15 m[1?4]。

地下主廠房共分9層開挖，開挖分層方案如圖2所示。自2011?11?01開始施工，開挖到第Ⅳ層時主廠房上下游側(cè)巖錨梁?拱肩之間邊墻部位圍巖出現(xiàn)大量變形破壞情況，于2013?08至2013?10進行停工加固[3]。

圖1 地下洞室群布置三維示意圖

圖2 主廠房分層開挖方案(單位：m)

1.2 廠區(qū)地層巖性及地質(zhì)構造

地下廠房區(qū)出露地層主要為泥盆系下統(tǒng)(D11)第⑨層白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀總體為N35°~60°E/NW∠20°~55°，走向與廠房軸線大角度相交，傾向山內(nèi)。廠區(qū)無大型區(qū)域性斷裂通過，僅發(fā)育多組NWW向的次級小斷層以及NE向順層擠壓破碎帶。主要節(jié)理裂隙有5組：①N35°~60°E/NW∠20°~55°，層面裂隙，最為發(fā)育；②EW/N∠55°~80°；③N30~80°W/NE∠30°~70°；④N35°~60°E/SE∠35°~45°；⑤N20°~60°W/SW∠20°~60°[4?5]。5組裂隙與廠房軸線關系赤平投影圖(上半球)如圖3所示。

開挖地質(zhì)編錄資料顯示，主廠房圍巖類別較好，以Ⅲ1類、Ⅲ2類為主，局部區(qū)域為Ⅳ類。各類圍巖的主要物理力學參數(shù)見表1。

圖3 各組裂隙與廠房軸線關系赤平投影圖(上半球)

表1 巖體物理力學參數(shù)[1?2]

1.3 地應力

廠區(qū)為典型的高山峽谷區(qū)，新構造運動總體以整體間歇性強烈抬升為主，區(qū)域構造應力最大主應力方向表現(xiàn)為近EW向或NWW~SEE向。地應力場以構造應力為主，巖體以堅硬較完整變質(zhì)灰?guī)r為主，易于蓄集較高的應變能[1?2]。前期勘查階段進行了6組地應力測試，見圖4所示。實測廠區(qū)最大主應力1=21.53~ 36.43 MPa，平均約為28.33 MPa；第二主應力2=12.06~29.8 MPa，平均約為20.56 MPa；最小主應力3=6.2~22.32 MPa，平均約為13.26 MPa；地下廠房水平埋深280~510 m段，正好位于河谷應力場的應力集中區(qū)，見圖5。結合地下廠區(qū)地應力實測結果和巖體強度分析，猴子巖水電站地下廠房巖石強度應力比(b/m)為2~4，屬于高地應力區(qū)。

圖4 地下廠房區(qū)巖體空間應力測試分布

1—σ1；2—σ2；3—σ3。

2 圍巖宏觀破壞特征

猴子巖水電站地下主廠房在第Ⅳ層施工期間出現(xiàn)了嚴重的變形破壞現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在上下游側(cè)巖錨梁?拱肩之間邊墻部位。與錦屏一級水電站圍巖破壞不對稱現(xiàn)象不同[6?9]，猴子巖水電站主廠房上下游側(cè)均出現(xiàn)大量破壞情況。具體表現(xiàn)為巖錨梁開裂、伸縮縫錯位、砼噴層鼓脹開裂或脫落、圍巖劈裂、錨墩內(nèi)陷 等[4]。

2.1 巖錨梁變形破壞特征

2013年5月22日巖錨梁出現(xiàn)裂縫22條，伸縮縫錯位1處；7月22日巖錨梁裂縫有26條，伸縮縫錯位2處；10月22日巖錨梁裂縫發(fā)展為30條，伸縮縫錯位3處。其中裂縫寬0.1~3 mm，最大達10 mm，延伸長度50~170 cm；伸縮縫最大張開24 mm，錯位達14.6 mm。由此可見，隨時間推移，巖錨梁處于持續(xù)變形中。圖6所示為巖錨梁典型變形照片。

2.2 巖錨梁?拱肩之間邊墻部位變形破壞情況

2.2.1 砼噴層鼓脹開裂和脫落

此類破壞現(xiàn)象在巖錨梁?拱肩之間邊墻部位較為普遍。噴層鼓脹開裂具有明顯的區(qū)段性，裂縫一般長0.8~2.0 m，最長可達13 m，張開0.2~2.0 cm，最大可達11 cm。裂縫展布形態(tài)各異，以水平向與斜向發(fā)育為主，呈鋸齒狀斷續(xù)彎曲延伸(見圖7(a))。噴層脫落現(xiàn)象分布較為廣泛，脫落面積不等，形狀呈不規(guī)則狀，呈橢圓狀、凹槽狀、長方形面狀等(見圖7(b))。在噴層脫落的部位可見鋼筋彎曲現(xiàn)象(見圖7(c))，反映出該部位圍巖承受較大的切向應力。

該現(xiàn)象雖然表現(xiàn)為噴射混凝土層的變形破壞，但實際上反映的是內(nèi)部圍巖的破壞情況，內(nèi)部圍巖出現(xiàn)拉張、剪脹破壞，從而導致其表層的開裂或脫落。為驗證上述推斷，針對砼噴層開裂嚴重區(qū)域進行了“開槽”處理，如圖8所示，明顯可見砼噴層鼓脹開裂區(qū)域內(nèi)部圍巖出現(xiàn)嚴重的拉裂、劈裂破壞，巖體質(zhì)量“劣化”[5]。說明巖錨梁?拱肩之間邊墻部位承受較大的切向應力，巖體產(chǎn)生壓制拉裂破壞。

2.2.2 圍巖開裂破壞

在調(diào)查中可見多處圍巖開裂、剝裂現(xiàn)象，開裂深度0~1.0 m，開裂面略起伏粗糙，與邊墻平行，陡傾于臨空面，傾角為64°~85°?，F(xiàn)場典型破壞現(xiàn)象見圖9。

2.2.3 錨墩內(nèi)陷

調(diào)查共發(fā)現(xiàn)2處錨墩內(nèi)陷現(xiàn)象：下游0+33 m處錨頭與圍巖之間的位移為3~5 cm(見圖10(a))，上游0+44 m處錨頭與圍巖之間位移為1~2 cm(見圖10(b))，錨頭周邊圍巖伴隨有擠碎開裂現(xiàn)象。錨墩出現(xiàn)內(nèi)陷現(xiàn)象反映出內(nèi)部巖體已破碎，在較大預應力下被“拉入”到巖體中。

(a) 上游側(cè)廠橫0+5 m處開裂；(b) 下游側(cè)廠橫0+33.2 m處伸縮縫錯位

(a) 上游0+23 m巖錨梁上部噴層開裂；(b) 下游0?7 m巖錨梁上部噴層脫落；(c) 上游0+98 m巖錨梁上部鋼筋彎曲變形

(a) 開槽前；(b) 開槽后

(a) 下游0+19 m處；(b) 下游0?15 m處

(a) 下游0+33 m處；(b) 上游0+44 m處

3 地質(zhì)力學機制分析

3.1 地應力狀態(tài)與圍巖開裂的關系

3.1.1 廠區(qū)地應力場特征

猴子巖水電站地下廠房區(qū)域多數(shù)巖石強度應力比(b/m)為2~4，屬于高地應力區(qū)。類似于錦屏一級水電站[6?10]，廠區(qū)地應力場亦為典型的高山峽谷區(qū)“駝峰狀”應力分布形式，地下廠房系統(tǒng)正好位于地應力較高的區(qū)域，沒有避開應力集中區(qū)(見圖5)。

以主廠房區(qū)域內(nèi)σSPD1-5處實測的地應力數(shù)據(jù)為例來說明地應力狀態(tài)與圍巖開裂的關系。該點最大主應力1為36.43 MPa，其方位角和仰角分別為319.3°和44.5°，第二主應力2為29.8 MPa，其方位角和仰角分別為3.3°和?36.2°；最小主應力3為22.32 MPa，其方位角和仰角分別為74.7°和23.6°。實測地應力與廠房軸線關系見圖11。

圖11 主應力方向與洞室軸線和巖層面關系(σSPD1-5)[5]

由圖11可以看出，最大主應力1與廠房軸線小角度相交、與巖層面大角度相交，有利于洞室圍巖穩(wěn)定；但測值偏大的2、3與廠房軸線大角度相交，對洞室圍巖穩(wěn)定極為不利[5]。

為進一步說明地應力對洞室穩(wěn)定的影響，將三維應力場轉(zhuǎn)為洞室橫剖面上的平面應力狀態(tài)，應力坐標轉(zhuǎn)換公式為[6?7]

式中：′為新坐標系下的應力矩陣；為原坐標系下的應力矩陣；為新坐標軸與原坐標軸之間的夾角余弦矩陣。

需要說明的是：新舊坐標系均遵循右手準則。原坐標系為方位角坐標系，即以正北為軸，正東為軸，豎直向上為軸；新坐標系以廠房洞軸線為軸(指向山外側(cè)為正)，廠房橫剖面水平方向為軸(指向下游側(cè)為正)，豎直方向為軸。

經(jīng)計算，廠房橫剖面(平面)上的平面主應力分別為31.92 MPa和27 MPa，平面最大主應力與軸夾角為9.1°，廠房橫剖面應力橢圓如圖12所示。

平面應力狀態(tài)對洞室圍巖穩(wěn)定極為不利，進行洞室布置方案選擇軸線方位時應盡量避免。因為過大的最大主應力(近水平向)會導致洞室開挖后邊墻出現(xiàn)較大位移，這也是主廠房上下游邊墻測點位移、松弛深度均較其他工程偏大的原因之一[5]。對于頂拱、拱肩部位而言，過大的切向應力集中易使圍巖產(chǎn)生壓致拉裂、壓碎，甚至出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，導致圍巖破壞[8]。與錦屏一級主廠房嚴重“偏壓”(非對稱)破壞不同，這種平面應力狀態(tài)致使主廠房上下游側(cè)巖錨梁?拱肩之間邊墻部位均出現(xiàn)大量圍巖破壞情況。

單位：m

3.1.2 猴子巖水電站洞室圍巖易出現(xiàn)破壞的原因

圖13所示為一般地應力條件下(1＞2＞3，2≈m)應力莫爾圓[4]。洞室開挖后，1增大為1′，3減小為3′，此時的應力莫爾圓向強度曲線靠近，趨近破壞。即與洞室開挖之前相比，破壞接近度1min＜0min。特別是當優(yōu)化后的地下洞室軸線與1方向一致時，在洞室壁面附近巖石處于單軸應力狀態(tài)，最大主應力約為2[4]。

圖14所示為猴子巖地應力條件下(1≈2＞3，2＞m)應力莫爾圓[4]。在此高地應力條件下，與一般地應力條件相比，洞室開挖后，1增大為1′的增幅更大，3減小為3′的降幅也更大。由二維和三維數(shù)值模擬得出[11?14]：猴子巖地下洞室開挖后，1′=100~150 MPa，應力莫爾圓更加向強度曲線趨近，即2min＜1min＜0min，猴子巖地應力條件下圍巖更容易趨向破壞。當?shù)叵露词逸S線與1方向完全一致時，在洞室壁面附近巖石的最大主應力雖約等于2，但由于猴子巖的地應力條件是2≈1，所以，在單軸應力狀態(tài)下的圍巖也更容易出現(xiàn)破壞。

(a) 洞室開挖前應力狀態(tài)；(b) 洞室開挖后應力狀態(tài)；(c) σ1與洞軸線一致時洞壁應力狀態(tài)

(a) 洞室開挖前應力狀態(tài)；(b) 洞室開挖后應力狀態(tài)；(c) σ1與洞軸線一致時洞壁應力狀態(tài)

3.2 地質(zhì)構造與圍巖開裂的關系

施工地質(zhì)編錄資料顯示(見圖15)，主廠房上下游側(cè)巖錨梁?拱肩之間邊墻部位巖體質(zhì)量較好，其中上游側(cè)巖錨梁?拱肩部位Ⅲ1類圍巖占87.7%，Ⅲ2類圍巖占12.3%；下游側(cè)巖錨梁?拱肩部位Ⅲ1類圍巖占72.5%，Ⅳ類圍巖占27.5%。從圖15可以看出：圍巖破壞主要發(fā)生在巖體質(zhì)量較好的區(qū)域，即主要出現(xiàn)在Ⅲ1類圍巖區(qū)域。這說明圍巖破壞與地質(zhì)構造的相關性較差，亦說明猴子巖水電站主廠房圍巖破壞以應力驅(qū)動型為主，受地質(zhì)構造影響較小而受高地應力條件下開挖卸荷影響較大[4?5]。

3.3 應力驅(qū)動型破壞模式形成機制分析

根據(jù)徐光黎等[4?5, 13, 15]的調(diào)查結果顯示，猴子巖水電站主廠房圍巖破壞類型主要為應力驅(qū)動型，重力驅(qū)動型以及復合型所占比例較少。

應力驅(qū)動型破壞是指在高地應力條件下，因開挖造成圍巖應力重分布，在二次應力作用下，圍巖開始起裂，產(chǎn)生新的裂縫，新生裂縫繼續(xù)擴展、貫通，最終致使圍巖損傷但不一定產(chǎn)生滑移的巖石破壞。該破壞模式主要有張開碎裂(unravelling)、剝離(spalling)、板裂splitting)、剪切破壞、巖爆等表現(xiàn)形式[4?5]。從力學機制上可歸納為拉張破裂(T)、張剪破裂(TS)和剪切破裂(S) 3種模式(見圖16)。

拉張破裂具體表現(xiàn)為圍巖呈洋蔥式剝離、剝落、劈裂、片幫或張開碎裂，裂縫張開，越靠近洞壁隙寬越大，裂面高角度傾向臨空面，傾角大多大于75°。拉張破裂主要出現(xiàn)在拉應力集中或圍壓基本為0的部位，巖體受力狀態(tài)近似于單軸壓縮狀態(tài)的部位(主要發(fā)育部位及受力狀態(tài)如圖16中“1”所示)。此破壞模式在猴子巖地下洞室極為發(fā)育。

張剪破裂具體表現(xiàn)為圍巖呈片狀、板狀、厚板狀平行排列，端部以Griffith裂紋拉張擴展，裂縫張開，隙寬向里減小，裂面高角度傾向洞內(nèi)，但傾角小于拉張破裂傾角，傾角一般在48°~70°之間。張剪破裂主要出現(xiàn)在側(cè)向圍壓較小的部位，巖體受力狀態(tài)處于1′＞＞3′三軸壓縮狀態(tài)—似單軸壓縮狀態(tài)(主要發(fā)育部位及受力狀態(tài)如圖16中“2”所示)。此破壞模式在猴子巖地下洞室壁面附近也極為發(fā)育。

(a) 上游側(cè)；(b) 下游側(cè)

圖16 應力驅(qū)動型破壞模式及力學機制示意圖[4]

剪切破裂具體表現(xiàn)為圍巖產(chǎn)生新的剪切裂縫，裂面平整，隙寬閉合—微張，裂面也呈高角度傾向洞內(nèi)，傾角一般在45°~65°之間。剪切破裂主要出現(xiàn)在側(cè)向圍壓尚未恢復到原始應力量級(3′＜3) 的部位，巖體受力狀態(tài)處于1′＞3′三軸壓縮狀態(tài)(主要發(fā)育部位及受力狀態(tài)如圖16中“3”所示)。此破壞模式在鉆孔電視中可以見到，此處聲波波速會跳躍性地降低[16]。圖17所示為鉆孔時的剪切破裂的典型實例。

圖17 C1711+009XD-20130701鉆孔時圍巖剪切破裂實例[4]

4 結論及建議

1) 猴子巖水電站主廠房圍巖破壞特征主要體現(xiàn)為4種類型：巖錨梁開裂錯動、砼噴層鼓脹開裂、圍巖開裂、錨墩內(nèi)陷，這些表現(xiàn)形式的本質(zhì)均是內(nèi)部巖體出現(xiàn)損傷。

2) 猴子巖水電站廠區(qū)地應力測值偏高，且中間主應力2明顯偏大，通過開挖前后應力莫爾圓的變化情況，定性說明了猴子巖廠區(qū)硬巖在高地應力卸荷條件下易于出現(xiàn)破壞的原因。

3) 將廠區(qū)三維應力場轉(zhuǎn)換到主廠房橫剖面上的二維應力場顯示：二維應力場中最大、最小主應力較大，但二者差值不大；應力橢圓近乎水平，不存在“偏壓”；這種應力狀態(tài)導致猴子巖主廠房上下游側(cè)巖錨梁?拱肩之間邊墻部位均出現(xiàn)切向應力高度集中，圍巖出現(xiàn)壓致拉裂。

4) 猴子巖水電站主廠房圍巖破壞和巖體結構相關性不大，以應力驅(qū)動型為主，并且可細分為拉張破裂、張剪破裂和剪切破裂，3種受力機制在廠區(qū)廣泛發(fā)育，充分體現(xiàn)出猴子巖廠區(qū)高地應力特征。

5) 在后續(xù)施工中應嚴格控制爆破，提高壁面平整度，盡量減小應力集中程度；開挖完成后應及時支護，補償圍巖側(cè)向應力；錨固工程應采用“長錨索、低噸位、大錨頭”進行設計。該項研究工作將有利于進一步研究高應力下地下廠房洞室群圍巖變形的穩(wěn)定性，可為類似地下廠房洞室群的設計和施工提供依據(jù)與借鑒。

致謝：感謝猴子巖水電建設有限公司、中國電建成都勘測設計研究院有限公司猴子巖設代處、物探檢測中心、中國水電七局猴子巖項目部以及葛洲壩內(nèi)觀監(jiān)測管理中心的領導及現(xiàn)場工作人員，為我們現(xiàn)場資料收集與分析提供了大力支持。

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(編輯 趙俊)

Geomechanics mechanism and characteristics of surrounding rock mass failure for underground powerhouse under high geostress

LI Zhipeng1, XU Guangli1, DONG Jiaxing1, 2, CHU Handong1, WANG Jinsheng3, CHEN Chunwen3

(1. College of Engineering, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China;2. Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;3. Power China Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, China)

Combined with the previous geological exploration, geological record during the construction and some other construction information, the cracking and deformation characteristics of the surrounding rock and supporting structure of Houziyan hydropower station were analyzed, and the geomechanics mechanism of surrounding rock deformation and failure was researched. Some corresponding engineering response measures for the subsequent excavation and support were put forward. The results show that the failure of surrounding rock in main powerhouse is mainly stress-driven, and essentially caused by high geostress and low strength stress ratio. In the sidewall between the rock anchor beam and spandrel of upstream and downstream in the main powerhouse, the tangential stress loading effect is obvious due to the stress magnitude and its direction, and the surrounding rock is easy to pressure-induced splitting. This explained why the surrounding rock mass of this area is easy to be damaged.

high geostress; rock mechanics; surrounding rock splitting; geomechanics mechanism; Houziyan Hydropower Station

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.06.021

TU 45

A

1672?7207(2017)06?1568?09

2016?06?10；

2016?09?19

國家自然科學基金資助項目(41472263); 中國水電工程顧問集團公司科研項目(P099) (Project(41472263) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(P099) supported by China Hydropower Engineering Consulting Group)

徐光黎，博士，教授，從事巖土力學、地質(zhì)災害等研究；E-mail：xu1963@cug.edu.cn