官地水電站尾水調(diào)壓室頂拱噴層開(kāi)裂分析及處理

黃克戩

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 630072)

官地水電站尾水調(diào)壓室頂拱噴層開(kāi)裂分析及處理

黃克戩

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 630072)

文章從施工情況、不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、高地應(yīng)力等因素綜合分析官地尾水調(diào)壓室頂拱噴層裂縫的成因，認(rèn)為不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)面是其中主要的作用因素，使淺層部位圍巖應(yīng)力、變形調(diào)整，從而導(dǎo)致頂拱噴層開(kāi)裂。根據(jù)對(duì)原因的分析采取控制對(duì)策，在已有支護(hù)不適合調(diào)控圍巖力學(xué)響應(yīng)的條件下，增加預(yù)應(yīng)力支護(hù)措施，以積極適應(yīng)圍巖的力學(xué)行為，有效防止有害變形，最終形成穩(wěn)定的圍巖壓力拱。

噴層開(kāi)裂；緩傾角結(jié)構(gòu)面；圍巖穩(wěn)定；水電站；尾調(diào)室

1 項(xiàng)目概況

官地水電站位于雅礱江下游，是二灘水電站的上游銜接梯級(jí)電站，總裝機(jī)容量2400MW。右岸地下廠(chǎng)房洞室主要由引水洞、主廠(chǎng)房、主變室、尾水調(diào)壓室、尾水洞等組成。洞室群規(guī)模大，廠(chǎng)房三大洞室平行布置，洞室縱軸線(xiàn)方向N5°E。主廠(chǎng)房與主變室之間巖墻厚度49.2m，主變室與尾調(diào)室間巖墻厚度為48.8m。尾調(diào)室采用長(zhǎng)條型布置，設(shè)兩個(gè)條型調(diào)壓室，上部開(kāi)挖跨度20.00m，下部開(kāi)挖跨度21.50m，洞高76.00m，全長(zhǎng)205m，兩室之間設(shè)一厚度為17m的巖柱隔墻。

2 工程地質(zhì)情況

2.1 廠(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)情況

官地水電站樞紐區(qū)為高山峽谷地形，區(qū)內(nèi)出露地層主要為二疊系上統(tǒng)玄武巖組(P2β)，下游部分為二疊系下統(tǒng)平川組(P1P)灰?guī)r及砂巖。根據(jù)探洞揭示，地下廠(chǎng)區(qū)位于斜坡應(yīng)力集中帶以?xún)?nèi)，主要為新鮮的P2β15-1層斑狀玄武巖和P2β15-2角礫集塊熔巖。區(qū)內(nèi)無(wú)大的斷層或軟弱結(jié)構(gòu)面，錯(cuò)動(dòng)帶雖比較發(fā)育，但規(guī)模較小。洞室圍巖整體完整性較好，以次塊-塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部為鑲嵌或碎裂結(jié)構(gòu)。

雨季地下水較豐富，部分洞室頂拱多處滴水，其余洞室濕潤(rùn)，局部浸、滴水。地下廠(chǎng)房區(qū)域最大主應(yīng)力量級(jí)25.0-35.17MPa， N27.3°- 53°W，平均值N35.4W°，與廠(chǎng)房軸線(xiàn)平均值的夾角40.4°。

2.2 尾水調(diào)壓室工程地質(zhì)情況

尾水調(diào)壓室圍巖巖性主要為P2β15-1輝斑玄武巖，為灰綠色，巖石堅(jiān)硬。巖體以塊狀、次塊狀-塊裂狀結(jié)構(gòu)為主，局部裂隙帶為鑲嵌-碎裂結(jié)構(gòu)。受錯(cuò)動(dòng)帶影響，局部圍巖呈弱上風(fēng)化。

根據(jù)開(kāi)挖揭示，頂拱圍巖部分裂隙及錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育，錯(cuò)動(dòng)帶出露范圍巖完整性較差，易發(fā)生巖體掉塊。其中緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶fxt01(N20°-30°E/SE∠10°-25°)與洞軸線(xiàn)小角度相交，延伸長(zhǎng)大于100m，錯(cuò)動(dòng)帶寬度10cm-50cm，變化大，起伏、粗造，其組成物以壓碎巖、糜棱角礫巖、石英為主，局部分布一層厚度約1cm-20cm次生泥，屬泥夾巖屑型，水平錯(cuò)距25cm-30cm。該錯(cuò)動(dòng)帶延伸長(zhǎng)，規(guī)模大，可與其它節(jié)理裂隙在洞室不同洞段組合形成不利組合塊體，對(duì)洞室頂拱及邊墻穩(wěn)定影響大。尾水調(diào)壓室頂拱圍巖類(lèi)別以Ⅲ類(lèi)為主，次之為Ⅱ類(lèi)，邊墻部位因錯(cuò)動(dòng)帶fxt01出露，巖體極其破碎，其影響帶條帶起伏較大，寬度50cm-150cm，最寬可達(dá)200cm，該影響帶單獨(dú)劃分為Ⅳ類(lèi)巖體。

3 裂縫描述

尾調(diào)室開(kāi)挖過(guò)程中頂拱部位噴層出現(xiàn)了多次裂縫，第一次裂縫位于樁號(hào)0+080m-0+095m上游拱肩中導(dǎo)洞部位，裂縫呈波狀，與洞軸線(xiàn)基本平行；第二次裂縫位于樁號(hào)0+095m-0+135m中導(dǎo)洞頂拱偏下游側(cè)，呈波狀平行于洞軸線(xiàn)，裂縫寬約3-5cm，同時(shí)出現(xiàn)一條橫向裂縫，基本接近第一次裂縫；第三次裂縫位于端墻附近，樁號(hào)0+147m-0+165m，裂縫橫穿頂拱，長(zhǎng)度約25m，縫寬1cm-3cm，裂縫基本沿錯(cuò)動(dòng)帶(fxt05)展布。第四次裂縫位于廠(chǎng)橫0-010m-0+040m段上游頂拱，第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)，長(zhǎng)約1-3m靠近中導(dǎo)洞邊附近，與洞軸線(xiàn)近于平行的細(xì)小裂縫，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，裂縫條數(shù)、寬度、范圍有所增加。如圖1所示。

圖1 尾調(diào)室頂拱噴層裂縫平面展開(kāi)圖

從裂縫形態(tài)上來(lái)看，既有張拉裂縫，又有剪切裂縫，或者兩者復(fù)合型。而這種裂縫形態(tài)多樣性的同時(shí)呈現(xiàn)，表示尾調(diào)室頂拱噴層開(kāi)裂機(jī)制的復(fù)雜性。

4 裂縫成因分析

4.1 施工因素

裂縫開(kāi)始出現(xiàn)的時(shí)段與開(kāi)裂區(qū)施工開(kāi)挖基本相對(duì)應(yīng)，第一次裂縫位于第一層上游側(cè)擴(kuò)挖到樁號(hào)0+080m-0+095m區(qū)域，開(kāi)挖爆破的強(qiáng)振動(dòng)導(dǎo)致圍巖強(qiáng)烈的擾動(dòng)，樁號(hào)0+095m監(jiān)測(cè)斷面顯示孔口位移顯著增加，量值達(dá)到15mm左右，位移速率增加到0.36mm/d。

第二次裂縫發(fā)生在第二層下臥即中間拉槽爆破的時(shí)期，樁號(hào)0+095m監(jiān)測(cè)斷面孔口位移顯著增加，量值達(dá)到27mm左右，位移速率增加到0.3mm/d，樁號(hào)0+090監(jiān)測(cè)斷面的頂拱錨桿應(yīng)力計(jì)持續(xù)增加，量值約300MPa，接近限值，意味著支護(hù)已無(wú)法承受這種圍巖擾動(dòng)。從開(kāi)挖形成的斷面來(lái)看，兩側(cè)邊墻的保護(hù)層超挖大，同時(shí)爆破的巖體塊度過(guò)大，顯示開(kāi)挖過(guò)程局部中藥量較大，受爆破的強(qiáng)振動(dòng)影響，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移變形或頂拱淺表層破損區(qū)域圍巖繼續(xù)下沉變形，進(jìn)而引起噴層開(kāi)裂。

第三次頂拱噴層開(kāi)裂出現(xiàn)在端墻附近上游側(cè)開(kāi)挖期間，之后尾調(diào)室交通洞連通段從南端墻進(jìn)入尾調(diào)室，頂拱噴層裂縫持續(xù)擴(kuò)展，從頂拱上游側(cè)延伸到下游側(cè)。

第四次噴層開(kāi)裂發(fā)生在第二層下臥期間，該部位巖體穩(wěn)定受控于頂拱緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶(fxt01)，開(kāi)挖期錯(cuò)動(dòng)帶在頂拱部分垮塌，其拱角至拱肩未垮塌部分，有應(yīng)力調(diào)整變形現(xiàn)象，加之下層開(kāi)挖放炮的影響，致使混凝土出現(xiàn)裂縫，裂縫基本沿錯(cuò)動(dòng)帶(fxt01)出露線(xiàn)展布。

應(yīng)該指出的是，實(shí)際施加支護(hù)的強(qiáng)度和時(shí)機(jī)是否能夠滿(mǎn)足或適應(yīng)頂拱圍巖變形也同樣影響著噴層開(kāi)裂與否。噴層本身的質(zhì)量，噴層與巖面是否存在脫空等，均對(duì)噴層有一定的不利影響[1]。

4.2 工程地質(zhì)因素

開(kāi)挖揭示尾調(diào)室廠(chǎng)橫0+80m-0+165m頂拱及第二層存在距頂拱臨空面較近的緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶、裂隙以及一系列陡傾角的節(jié)理裂隙，塊體分析表明，該段頂拱存在潛在不穩(wěn)定的小型塊體，但未發(fā)現(xiàn)大的不穩(wěn)定塊體。從施工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭示可以明顯看出，下游側(cè)錯(cuò)動(dòng)帶及裂隙較上游側(cè)發(fā)育。如圖2所示。

圖2 尾調(diào)室廠(chǎng)橫0+114地質(zhì)剖面圖

在靠近端墻部位，第三次開(kāi)裂正處于頂拱部位fxt05緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶的影響區(qū)。從局部位置圍巖類(lèi)別來(lái)看，該段圍巖以III為主，次之II類(lèi)；而產(chǎn)狀NW/SW裂隙在下游側(cè)拱肩及邊墻與產(chǎn)狀NE/SE錯(cuò)動(dòng)帶、裂隙相互擠壓呈波狀起伏，厚度為50cm-200cm的破碎影響帶，條帶范圍為下游側(cè)廠(chǎng)橫0+30m-0+124m，高程1244.6m-1241.0m，圍巖類(lèi)別為IV類(lèi)，開(kāi)挖過(guò)程中已大部分揭露。在尾調(diào)室廠(chǎng)橫0+030m-0+124m洞段的上、下游拱座和邊墻部位的圍巖類(lèi)別是有差異的。

廠(chǎng)橫0-010m-0+040m段的圍巖類(lèi)別Ⅲ類(lèi)為主，該部位頂拱上游主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)面包括：①錯(cuò)動(dòng)帶fxt01、fxt02、fxt03、fxt07、fxt10；②長(zhǎng)大發(fā)育的高傾角裂隙 N50°-70°W/NE70°-85°以及短小不發(fā)育的N10°W/SW80° -85°和NE/W40°-45°結(jié)構(gòu)面(圖3)。經(jīng)塊體分析，頂拱圍巖未發(fā)現(xiàn)大的不穩(wěn)定塊體，但可能存在被fxt01等錯(cuò)動(dòng)帶和裂隙相互切割形成小型塊體，在爆破震動(dòng)和地應(yīng)力聯(lián)合作用下的產(chǎn)生剪切拉裂進(jìn)而引起噴層開(kāi)裂。

圖3 尾調(diào)室頂拱主要結(jié)構(gòu)面

4.3 地應(yīng)力因素

地下廠(chǎng)房區(qū)域的地應(yīng)力最大主應(yīng)力的量值約為25MPa-35MPa，最大主應(yīng)力方向總體上在NW-NNW之間，與洞室群軸線(xiàn)方向呈25°-45°夾角，屬于高地應(yīng)力。實(shí)測(cè)和回歸地應(yīng)力成果顯示，區(qū)域內(nèi)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，在此類(lèi)初始地應(yīng)力分布條件下的開(kāi)挖引起圍巖應(yīng)力調(diào)整，在不同程度上也造成了尾調(diào)室頂拱噴層開(kāi)裂[2]。

5 裂縫成因分析

5.1 洞室頂拱巖拱形成機(jī)制

相關(guān)研究表明，地下洞室承載拱形成的過(guò)程中，荷載從頂拱傳到拱座，再由拱座傳到邊墻，形成對(duì)洞室周邊巖石的擠壓，正是圍巖壓力的這種傳遞形成了承載拱結(jié)構(gòu)，它維持著頂拱圍巖的穩(wěn)定。另外，拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一定程度上由拱的形狀保證，因此拱的設(shè)計(jì)和開(kāi)挖成拱非常重要。但若拱頂圍巖存在塊體松動(dòng)時(shí)，缺乏拱的荷載傳遞途徑，這種情況下采用錨桿或錨索加固巖體，使之形成一個(gè)人工拱頂是必然的選擇。如圖4所示。

圖4 巖拱形成的傳力機(jī)制示意圖

5.2 成因分析

從圍巖條件來(lái)看，上、下游邊墻的圍巖條件相差較大，其中下游側(cè)邊墻圍巖較差，在荷載傳遞的過(guò)程中，導(dǎo)致頂拱上、下游兩側(cè)變形不協(xié)調(diào)。從支護(hù)施工順序來(lái)看，中導(dǎo)洞開(kāi)挖噴錨支護(hù)與下游側(cè)擴(kuò)挖噴錨支護(hù)存在時(shí)間上的先后，它們之間的接觸部位為形成了噴層的薄弱環(huán)節(jié)。

而從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上來(lái)看，在頂拱圍巖的表層松弛較大，同時(shí)下臥施工爆破振動(dòng)，導(dǎo)致淺表層巖體沿結(jié)構(gòu)面的變形，現(xiàn)場(chǎng)主要表現(xiàn)為下游拱肩部位的變形和錨桿呈同步增大且總量值較大的現(xiàn)象。

另外，通過(guò)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，拱肩部位壓應(yīng)力水平上、下游相差較大，下游明顯大于上游，這種不均勻的壓應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)承載拱壓力荷載傳遞不利，對(duì)頂拱穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響(圖5(a))。頂拱部位最小主應(yīng)力顯示松弛范圍較大(圖5(b)中黑色點(diǎn)劃線(xiàn))，最大約7m左右，而在頂拱臨空面的部位局部出現(xiàn)拉應(yīng)力。從頂部部位塑性區(qū)分布來(lái)看(圖6)，錯(cuò)動(dòng)帶距頂拱臨空面約3m左右時(shí)(圖6(a))，頂拱范圍存在張拉和拉剪破壞或者剪切破壞，與頂拱噴層裂縫開(kāi)裂形態(tài)相似；錯(cuò)動(dòng)帶位于頂拱或拱肩時(shí)(圖6(b))，除錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)生了較大的塑性區(qū)外，沿錯(cuò)動(dòng)帶的滑移變形也較大。綜上初步分析，上述因素的共同作用可能構(gòu)成了頂拱噴層開(kāi)裂的成因。

6 裂縫控制措施

從上面的成因分析可知，第一次頂拱噴層開(kāi)裂是由于開(kāi)挖爆破引起應(yīng)力重新調(diào)整，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖變形不協(xié)調(diào)，且普通錨桿支護(hù)已無(wú)法調(diào)控這種力學(xué)行為，需施加合理噸位的預(yù)應(yīng)力支護(hù)措施。

第二次頂拱噴層開(kāi)裂與下臥開(kāi)挖爆破下邊墻的破碎巖體和頂拱部位的圍巖變形有關(guān)，而錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)顯示，下游拱肩淺表層部位的錨桿已超標(biāo)，位移整體較大且速率較快，初步判斷淺表層的普通錨桿的支護(hù)已不能合理適應(yīng)圍巖的力學(xué)響應(yīng)。所以，在導(dǎo)致圍巖較大變形和噴層開(kāi)裂的關(guān)鍵部位施加合理的加強(qiáng)支護(hù)措施勢(shì)在必行。所以在下游邊墻巖體破碎部位，加強(qiáng)支護(hù)，在頂拱部位施加合理噸位的預(yù)應(yīng)力支護(hù)措施，與上游側(cè)圍巖和支護(hù)體系的力學(xué)響應(yīng)相協(xié)調(diào)，一起構(gòu)成合理的巖拱結(jié)構(gòu)，適應(yīng)下臥開(kāi)挖引起的應(yīng)力場(chǎng)再次的調(diào)整，進(jìn)而維護(hù)頂拱圍巖和支護(hù)體系的穩(wěn)定。

(a)最大主應(yīng)力

(b)最小主應(yīng)力

(a)緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶在頂拱時(shí)

(b)緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶在拱肩時(shí)

第三次頂拱噴層開(kāi)裂主要是爆破下臥開(kāi)挖影響下，頂拱緩傾角結(jié)構(gòu)面滑移變形所致，在普通支護(hù)無(wú)法適應(yīng)這種變形而裂縫持續(xù)發(fā)展，長(zhǎng)度、深度和縫寬增加的情況下，增加預(yù)應(yīng)力支護(hù)措施是必需的，所以同樣建議施加合理噸位的預(yù)應(yīng)力支護(hù)措施，以控制變形的進(jìn)一步發(fā)展，適應(yīng)圍巖的力學(xué)響應(yīng)過(guò)程，以便形成穩(wěn)定的巖拱結(jié)構(gòu)。

第四次噴層開(kāi)裂主要是第二層開(kāi)挖下后，在fxt01下盤(pán)存在明顯的剪切拉裂破壞形式，對(duì)頂拱圍巖穩(wěn)定不利。實(shí)際開(kāi)挖中，尾調(diào)室中導(dǎo)洞頂拱fxt01下盤(pán)已經(jīng)塌落，破壞了頂拱的完整弧形形狀進(jìn)而導(dǎo)致圍巖傳力機(jī)制被破壞，同時(shí)fxt01下盤(pán)在拱角-拱肩形成近似“懸吊”塊體，在地應(yīng)力作用下可能產(chǎn)生非均勻變形導(dǎo)致噴層開(kāi)裂。

從上述分析可以看出，在復(fù)雜的地質(zhì)和應(yīng)力環(huán)境以及施工等諸多因素影響下，對(duì)尾調(diào)室頂拱噴層開(kāi)裂所采取的控制對(duì)策，均考慮了在現(xiàn)有支護(hù)無(wú)法調(diào)控圍巖力學(xué)響應(yīng)的條件下，增加預(yù)應(yīng)力支護(hù)措施，以適應(yīng)圍巖的力學(xué)行為，防止有害變形，最終形成穩(wěn)定的巖拱結(jié)構(gòu)。

7 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值計(jì)算、理論分析以及監(jiān)測(cè)、物探和地質(zhì)信息分析等多角度分析，在施工因素、不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)面以及較高的地應(yīng)力水平等綜合作用下，其中不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)面是其中的主要作用因素，巖石開(kāi)挖爆破引起的強(qiáng)振動(dòng)作為主要誘因，使淺部圍巖應(yīng)力、變形調(diào)整導(dǎo)致頂拱噴層開(kāi)裂。在此基礎(chǔ)上所采取的控制對(duì)策，是在已有支護(hù)不適合調(diào)控圍巖力學(xué)響應(yīng)的條件下，增加預(yù)應(yīng)力支護(hù)措施，以積極適應(yīng)圍巖的力學(xué)行為，有效防止有害變形，最終形成穩(wěn)定的圍巖壓力拱。這對(duì)于中等到高地應(yīng)力條件下的大跨度高邊墻地下洞室來(lái)說(shuō)，維持其施工安全和長(zhǎng)期穩(wěn)定是一種適合的選擇。

[1]張勇，肖平西，丁秀麗，等.高地應(yīng)力條件下地下廠(chǎng)房董事群圍巖變形破壞特征及對(duì)策研究[J]巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012,31(02)：11-12.

[2]鄔愛(ài)清，徐 平，徐春敏，等.三峽工程地下廠(chǎng)房圍巖穩(wěn)定性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20(05)：66.

1007-7596(2017)06-0125-04

2017-05-21

黃克戩(1978-)，男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，從事水電工程設(shè)計(jì)工作。

TV732

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