觀音峽水電站引水隧洞圍巖分類及工程地質問題處理

蔣碧媛，高 文

(武漢志宏水利水電設計院，湖北 武漢 430070)

1 工程概況

觀音峽水電站為引水式電站，主要建筑物由翻板閘壩、引水隧洞及明渠、壓力管道及電站廠區(qū)建筑物等4部分組成；其中，引水隧洞總長7.6 km，洞徑2.6 m，洞頂圍巖最大厚度342 m，最小厚度10 m；地質條件分別處于下三疊系下統(tǒng)嘉陵江組厚層含泥質灰?guī)r、灰?guī)r夾角礫狀灰?guī)r，巖石強度為中硬強度，圍巖多為Ⅱ、Ⅲ類，少見Ⅴ類巖石，洞挖圍巖地質條件較好。實際選擇洞軸線走向與巖層走向夾角接近10°～20°。沖溝內各洞口進、出口段為巖層片理側向邊坡，成洞條件較好。

2 區(qū)域地質構造

梅子水流域位于鄂西恩施州利川市境內的齊岳山東麓，區(qū)內山巒疊翠，山勢陡峻。工程區(qū)在燕山造山運動之后又經過了多次大面積間歇性上升，地貌成因受地層巖性和構造的控制；外營力以溶蝕作用為主，侵蝕次之。區(qū)內巖溶形態(tài)發(fā)育，形成碳酸鹽巖地區(qū)溶洞、落水洞、石芽、洼地和溶槽等多種巖溶地貌；碎屑巖區(qū)以侵蝕、剝蝕為主，溝谷縱橫交錯，地形相對平緩；二者相間分布造就了區(qū)內多級夷平面與侵蝕溝谷相結合的地貌景觀。

挽近期以來，本區(qū)處于不均勻的抬升過程中，河流深切，地勢上西北和北部高，形成烏江與清江的分水嶺；山頂高程一般在1 000～1 700 m之間，向西南方向地勢漸次降低，郁江即順南西方向發(fā)育；其中齊岳山之夾壁為區(qū)內最高峰，峰頂高程1 988.3 m。齊岳山與北側福寶山、東南側馬黃山構成流域分水嶺；最低處為郁江河床谷底，高程為350～580 m。

區(qū)內主要大的地貌有：溶蝕～構造剝蝕地貌、溶丘洼地、槽谷中低山溶蝕地貌、河谷侵蝕地貌及遠離河谷地段保留的多級夷平面。

工程區(qū)位于屬四川盆地分區(qū)的川東～利川小區(qū)，基底為前震旦系變質巖系，上層為震旦紀至白堊紀厚達萬余米的巨厚層沉積巖系的沉積帶。沉積巖地層間均表現為整合或假整合接觸，晚侏羅世后區(qū)內沉積巖層發(fā)生強烈的褶皺和形成大規(guī)模斷裂。出露地層主要有二疊系、三疊系、侏羅系和第四系。

根據《中國地震動參數區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)，本區(qū)地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，相應的地震基本烈度為Ⅵ度。

3 隧洞圍巖工地地質分類

根據《中小型水利水電工程地質勘察規(guī)范》(SL 55—2005)中圍巖工程地質分類表A.0.1關于堅硬巖的分類，參考《水利水電工程地質勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)、《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》(GB 50287—2006)中的圍巖分類標準，確定觀音峽水電站隧洞圍巖分類原則。以控制圍巖穩(wěn)定的巖石強度、巖體完整程度、結構面狀態(tài)、結構面狀態(tài)、地下水和主要結構面產狀5項因素之和的總評分為基本差別依據(見表1)。

表1 圍巖總體評分分類表及其特性

3.1 樁號0+000～0+170段

0+000～0+030段為暗涵，0+030～0+170段為隧洞。本段巖性為三疊系嘉陵江組第四段，巖性主要為灰色厚層含泥質灰?guī)r、灰?guī)r夾角礫狀灰?guī)r，巖層產狀145°∠6°～15°。巖層中節(jié)理裂隙不太發(fā)育，巖體完整性一般，無不利結構面組合，巖層呈層狀結構。地下水位710～720 m，局部地段會遇到巖溶地下水，但水量不太大，洞室可見滲水。按《中小型水利水電工程地質勘察規(guī)范》隧洞圍巖工程分類標準，該段隧洞圍巖屬Ⅱ類，圍巖屬基本穩(wěn)定性巖體；設計洞徑2.5 m，為無壓隧洞，一般不需要襯砌支護。

根據《中小型水利水電工程地質勘察規(guī)范》各類圍巖經驗取值，Ⅱ類圍巖主要物理力學參數：密度為2.60 g/cm3，巖體變形模量為15 GPa，無壓隧洞單位彈性抗力系數為16～18 MPa/cm，堅固系數為7～8，泊松比為0.20～0.17，內摩擦角為42°～45°，凝聚力為2.5 MPa。

3.2 樁號0+170～6+043段

本段巖性為三疊系嘉陵江組第四段，巖性主要為灰色厚層含泥質灰?guī)r、灰?guī)r夾角礫狀灰?guī)r，巖層產狀140°～150°∠15°～30°，洞線與巖層走向近于一致，與洞線夾角為10°～20°。巖層中節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性一般，但斷層構造不發(fā)育，主要結構面間無不利組合；巖層呈層狀結構，局部巖溶發(fā)育，有順層溶蝕性溶隙、溶洞等，多充填泥質。地下水位670～710 m，局部地段會遇到巖溶裂隙地下水，但水量不太大，洞室可見滲水或小股明流，施工期加強預測預報，可以避免隧洞涌水發(fā)生。按《中小型水利水電工程地質勘察規(guī)范》隧洞圍巖工程分類標準，該段隧洞圍巖屬Ⅲ類和Ⅴ類。

Ⅲ類圍巖為局部穩(wěn)定性差巖體，建議局部進行必要的支護，如噴錨支護，拱頂系統(tǒng)錨桿。Ⅲ類圍巖主要物理力學參數：密度為2.40 g/cm3，巖體變形模量為8 GPa，無壓隧洞單位彈性抗力系數為10～12 MPa/cm，堅固系數為4～6，泊松比為0.25～0.27，內摩擦角為36°～38°，凝聚力為1.2 MPa。

Ⅴ類圍巖為穩(wěn)定性差巖體，其主要特征是圍巖由溶洞、夾泥帶、斷層破碎帶、裂隙密集帶和石膏軟巖等組成。根據地質調查、三疊系嘉陵江組灰?guī)r的特性和梅子水三級電站引水隧洞施工開挖情況，本段隧洞與梅子水三級電站引水隧洞同屬齊岳山背斜南東翼，巖性為三疊系嘉陵江組厚層含泥質灰?guī)r、灰?guī)r夾角礫狀灰?guī)r；該灰?guī)r溶洞、溶隙較發(fā)育，溶洞、溶隙中充填泥質及碎石，大的溶洞充填有塊石，隧洞成洞條件很差，特別是溶洞夾泥帶成洞條件更差，Ⅴ類圍巖約占該段隧洞長度的20%左右。

建議設計對溶洞、夾泥帶、斷層破碎帶、裂隙密集帶和石膏軟巖等地段圍巖考慮臨時支護措施。臨時支護措施主要有鋼拱架支襯、管棚支護、超前錨桿等，待圍巖基本穩(wěn)定后迅速進行二次支護或永久支護。施工期間開展施工期地質工作，對圍巖穩(wěn)定性進行地質預測預報，進一步提出合理處理措施；必要時對隧洞局部地段改線，避開不利地質條件段。

Ⅴ類圍巖主要物理力學參數：密度為<2.10 g/cm3，巖體變形模量為≤0.5 GPa，無壓隧洞單位彈性抗力系數為≤5 MPa/cm，堅固系數為1，泊松比為≥0.35，內摩擦角為≤30°，凝聚力為≤0.1 MPa。

3.3 樁號6+012～7+458.39段

本段巖性為三疊系嘉陵江組第四段，巖性主要為灰色厚層含泥質灰?guī)r、灰?guī)r夾角礫狀灰?guī)r，巖層產狀135°∠30°～35°，洞線與巖層走向近于一致，與洞線夾角為10°。巖層中節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性一般，但斷層構造不發(fā)育，主要結構面間無不利組合；巖層呈層狀結構，局部巖溶發(fā)育，如順層溶蝕性溶隙、溶洞時有發(fā)育，并充填泥質。樁號7+106跨猴子洞沖溝，溝底高程僅715 m左右，洞頂上覆圍巖厚度為5 m，小于3倍洞徑，厚度較小，建議明挖做暗涵。

該段屬地下水補給區(qū)，地下水為巖溶裂隙水，地下水位低于隧洞底板，隧洞可見滲水現象，但不會發(fā)生涌水問題。按《中小型水利水電工程地質勘察規(guī)范》隧洞圍巖工程分類標準，該段隧洞圍巖屬Ⅲ類局部穩(wěn)定性差巖體，建議局部進行必要的支護，如噴錨支護，拱頂系統(tǒng)錨桿。

4 支護措施

電站引水隧洞地層為三疊系下統(tǒng)嘉陵組灰?guī)r，0+000～0+030段為暗涵，0+030～0+170段為隧洞，隧洞圍巖屬Ⅱ類，圍巖屬基本穩(wěn)定性巖體，設計洞徑2.5 m，為無壓隧洞，一般不需要襯砌支護。

0+170～7+458.39段巖性為三疊系嘉陵江組第四段灰?guī)r，局部巖溶發(fā)育，有順層溶蝕性溶隙、溶洞等，多充填泥質。該段隧洞圍巖屬Ⅲ類和Ⅴ類。

Ⅲ類圍巖為局部穩(wěn)定性差巖體，建議局部進行必要的支護，如噴錨支護，拱頂系統(tǒng)錨桿。

Ⅴ類圍巖為穩(wěn)定性差巖體，隧洞成洞條件很差，特別是溶洞夾泥帶成洞條件更差。建議設計對溶洞、夾泥帶、斷層破碎帶、裂隙密集帶和石膏軟巖等地段圍巖考慮臨時支護措施，臨時支護措施主要有鋼拱架支襯、管棚支護，超前錨桿等，待圍巖基本穩(wěn)定后迅速進行二次支護或永久支護。施工期間開展施工期地質工作，對圍巖穩(wěn)定性進行地質預測預報，進一步提出合理處理措施，必要時對隧洞局部地段改線，避開不利地質條件段。

5 結 語

目前本隧洞工程已基本完工，在整個施工過程中，通過采用圍巖工程地質分類，給予現場設代人員和施工單位很大幫助，使其能根據圍巖工程地質特性迅速確定圍巖類別，從而判斷圍巖的自穩(wěn)能力和變形特性，有針對性地提出支護、襯砌的方法，保證了工程的順利實施。