楊房溝水電站母線洞裂縫成因分析

蔡一堅(jiān)1，蔡 波1，周 勇，潘 兵

(1.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州，311122；2.浙江中科依泰斯卡巖石工程研發(fā)有限公司，杭州，311122)

1 工程基本情況

1.1 工程概況

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，是規(guī)劃中該河段的第六級(jí)水電站，其上游連接孟底溝水電站，下游連接卡拉水電站，工程的開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電。楊房溝水電站地下廠房布置在左岸山體內(nèi)，廠房縱軸線方位N5°E，內(nèi)置4臺(tái)單機(jī)容量375MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1500MW。

主副廠房、主變室、尾水調(diào)壓室三大洞室平行布置，均采用圓拱直墻型斷面，主副廠房洞與主變洞的凈距為45.0m，主變洞與尾水調(diào)壓室的凈距為42.0m。主副廠房尺寸為230m×30m×75.57m(長(zhǎng)×寬×高)，主變室尺寸為156.0m×18.0m×22.3m(長(zhǎng)×寬×高)，尾水調(diào)壓室采用阻抗長(zhǎng)廊式，1#和2#調(diào)壓室尺寸分別為24m×69.5m×63.75m(寬×長(zhǎng)×高)和24m×82m×63.75m(寬×長(zhǎng)×高)。

楊房溝水電站主副廠房洞下游邊墻布置有4條母線洞，母線洞位于主副廠房洞和主變洞之間，母線洞底板開(kāi)挖高程為1985.5m，距離拱頂37m，距離尾水管底板38.5m，每條母線洞中心間距33m，母線洞之間巖壁厚度約為24m。

母線洞開(kāi)挖體型為城門洞型，靠近廠房一側(cè)母線洞開(kāi)挖斷面尺寸為9m×7.5m(寬×高)，開(kāi)挖長(zhǎng)度為15m；靠近主變一側(cè)母線洞開(kāi)挖斷面尺寸為11m×7.5m(18.5m)，開(kāi)挖長(zhǎng)度為25m；母線洞總開(kāi)挖長(zhǎng)度為45m。

圖1 楊房溝地下廠房洞室群三維模型

1.2 基本地質(zhì)條件

母線洞圍巖巖性為淺灰色花崗閃長(zhǎng)巖(γδ52)，呈微風(fēng)化～新鮮狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖石的單軸飽和單軸抗壓強(qiáng)度在80MPa～100MPa之間。母線洞發(fā)育共揭露5條Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面，節(jié)理中等發(fā)育～輕度發(fā)育。洞壁潮濕，無(wú)較大的出水點(diǎn)，僅個(gè)別部位有滲滴水。

根據(jù)前期地應(yīng)力測(cè)試成果，廠區(qū)最大主應(yīng)力值為12.62MPa～13.04MPa，屬于中等地應(yīng)力區(qū)。洞室開(kāi)挖成型一般～較好，母線洞開(kāi)挖過(guò)程中，右側(cè)拱肩局部有應(yīng)力破裂現(xiàn)象。

1.3 開(kāi)挖時(shí)序

通常情況下，母線洞開(kāi)挖既要確保廠房巖壁穩(wěn)定及巖錨梁施工質(zhì)量要求，又要盡量減少占主廠房開(kāi)挖的直線工期，因此，為保證廠房邊墻圍巖穩(wěn)定，減輕近距離爆破對(duì)巖錨梁的影響，一般母線洞的開(kāi)挖支護(hù)遵循“先洞后墻”的原則，并在廠房巖錨梁澆筑之前完成。楊房溝地下廠房洞室群母線洞開(kāi)挖施工安排在廠房巖梁層(第Ⅲ層)開(kāi)挖期間同步進(jìn)行，并確保在巖錨梁混凝土澆筑之前全部完成4條母線洞開(kāi)挖支護(hù)工作。

2 裂縫情況

廠房下挖過(guò)程中，第Ⅶ層開(kāi)挖基本完成后，4條母線洞均出現(xiàn)不同程度的噴層裂縫，裂縫多為斷續(xù)延伸，延伸長(zhǎng)度一般2m～6m；多為環(huán)向裂縫，少量延伸8m～16m；右側(cè)拱肩發(fā)育少量縱向裂縫和外鼓現(xiàn)象。

母線洞內(nèi)裂縫可分兩種類型：第一種為環(huán)向裂縫，第二種為母線洞拱肩水平裂縫。并具有以下特點(diǎn)：

(1)靠廠房一側(cè)的環(huán)向裂縫較靠主變一側(cè)發(fā)育，且裂縫開(kāi)展寬度也相對(duì)較寬；

(2)靠廠房一側(cè)的環(huán)向裂縫主要分布在距離廠房下游邊墻10m區(qū)域，其中靠近廠房下游邊墻5m區(qū)域均存在一條寬8mm～10mm的邊墻環(huán)向裂縫；

圖2 楊房溝地下廠房及主變洞開(kāi)挖順序

(3)邊墻的環(huán)向裂縫開(kāi)展寬度明顯大于頂拱的環(huán)向裂縫開(kāi)展深度；

(4)水平裂縫主要分布在廠右拱肩位置；

(5)根據(jù)裂縫斷口形狀，環(huán)向裂縫破壞模式表現(xiàn)為拉裂破壞，水平裂縫破壞模式表現(xiàn)為應(yīng)力性破壞。

針對(duì)上述兩種裂縫(水平、環(huán)向)成因，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并主要以減小主副廠房洞下游邊墻(母線洞交叉區(qū)域)應(yīng)力松弛損傷、確保母線洞內(nèi)施工安全為基本原則，分別針對(duì)主副廠房洞下游邊墻和母線洞內(nèi)圍巖進(jìn)行了系統(tǒng)支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)。

圖3 環(huán)向裂縫(3mm～4mm寬)(距離廠房下游邊墻8m)

3 裂縫成因分析

不計(jì)在廠房下挖過(guò)程中的爆破等施工因素影響，可對(duì)楊房溝水電站母線洞的水平和環(huán)向裂縫成因進(jìn)行如下歸納。

3.1 水平裂縫

由于地下廠房與主變室之間的巖柱內(nèi)布置了多條母線洞，整體挖空率相對(duì)較高，多個(gè)洞室開(kāi)挖卸荷引起的二次應(yīng)力調(diào)整相互疊加影響，導(dǎo)致巖柱內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，圖4為位于母線洞中部剖面巖柱的最大主應(yīng)力分布特征。由圖4可知，受河谷偏壓地應(yīng)力特征影響，巖柱內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)域主要位于母線洞右側(cè)拱肩區(qū)域及左側(cè)邊墻墻腳區(qū)域，最大主應(yīng)力一般在24MPa～30MPa，存在一定的應(yīng)力性破壞風(fēng)險(xiǎn)。

可見(jiàn)，母線洞中部靠主變側(cè)洞段出現(xiàn)的噴層水平裂縫，其主要成因偏向于應(yīng)力性開(kāi)裂，實(shí)際上這在母線洞開(kāi)挖初期就有所表現(xiàn)(相應(yīng)部位出現(xiàn)了輕微應(yīng)力性片幫破壞)。隨著廠房的持續(xù)下臥，洞間巖柱應(yīng)力持續(xù)調(diào)整，該部位也進(jìn)一步顯現(xiàn)出了圍巖二次應(yīng)力集中導(dǎo)致的噴層破裂問(wèn)題，與母線洞噴層環(huán)向裂縫的形成應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

圖4 母線洞中部最大主應(yīng)力分布特征(下方為尾水管)

3.2 環(huán)向裂縫

母線洞環(huán)向裂縫的成因主要是廠區(qū)地應(yīng)力偏高(屬中等應(yīng)力)、洞室結(jié)構(gòu)體型(廠房和主變洞之間的巖柱受力機(jī)制復(fù)雜，加之四條母線洞影響，是地下洞室中的薄弱環(huán)節(jié))決定的。而下游邊墻發(fā)育的順洞向陡傾優(yōu)勢(shì)節(jié)理也為巖柱的側(cè)向開(kāi)挖卸荷變形提供了條件，會(huì)一定程度上加大母線洞環(huán)向開(kāi)裂的程度和影響深度等。

從洞室開(kāi)挖變形響應(yīng)特征方面分析，圖5為廠房下游邊墻(母線洞區(qū)域)不同開(kāi)挖階段的變形矢量圖(以3#母線洞軸線剖面為例)數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

圖5 廠房下游邊墻(母線洞區(qū)域)變形矢量

數(shù)值分析結(jié)果表明：從母線洞頂拱及底板沿線圍巖變形分布特征看，靠近廠房下游邊墻的變形問(wèn)題相對(duì)突出，其主要影響區(qū)在距廠房下游側(cè)邊墻10m～15m范圍內(nèi)。母線洞與廠房下游邊墻交叉部位母線洞頂拱變形和應(yīng)力釋放主要發(fā)生在廠房第Ⅴ～Ⅶ層開(kāi)挖期間(變形釋放量占總變形的65%～70%，水平變形增量可達(dá)到30mm～50mm)；而母線洞底板變形和應(yīng)力釋放主要發(fā)生在廠房第Ⅵ～Ⅶ層開(kāi)挖期間(變形釋放量占總變形的70%左右，水平變形增量可達(dá)到20mm～40mm)，影響深度一般可以達(dá)到10m～15m左右。從現(xiàn)場(chǎng)母線洞環(huán)向裂縫開(kāi)展的時(shí)間和位置來(lái)看，主要發(fā)生在廠房第Ⅴ～Ⅶ層開(kāi)挖期間，環(huán)向裂縫(多為順洞向陡傾優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的法向張開(kāi)變形)的主要分布位置一般在距廠房下游邊墻約10m～12m距離以內(nèi)，與數(shù)值分析基本一致。

從受力特征方面分析，洞室開(kāi)挖中巖柱的特殊應(yīng)力響應(yīng)機(jī)制是導(dǎo)致母線洞部位出現(xiàn)張拉型環(huán)向裂縫的主要原因。在地下廠房邊墻持續(xù)下臥的開(kāi)挖卸荷作用下，主廠房和主變室洞間巖柱的受力狀態(tài)逐步由三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整為整體雙向壓縮狀態(tài)(豎向加載、側(cè)向卸荷)，形成沿母線洞軸線方向的廣義拉伸應(yīng)力狀態(tài)。分段圖6、圖7分別為地下廠房開(kāi)挖過(guò)程中典型斷面上圍巖最大、最小主應(yīng)力分布特征數(shù)值計(jì)算結(jié)果，圖8為地下廠房開(kāi)挖過(guò)程中典型斷面上圍巖拉應(yīng)力區(qū)分布特征數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

廠房頂拱應(yīng)力集中程度及范圍呈現(xiàn)一定增長(zhǎng)趨勢(shì)，廠房洞室群開(kāi)挖完成后廠房頂拱最大主應(yīng)力一般在24MPa～28MPa。從最小主應(yīng)力分布特征看，邊墻圍巖表現(xiàn)出了相對(duì)明顯的應(yīng)力松弛問(wèn)題，且隨著洞室持續(xù)下臥，高邊墻效應(yīng)顯現(xiàn)，邊墻應(yīng)力松弛程度及范圍逐步增大，廠房邊墻淺部一定深度范圍內(nèi)圍巖處于受拉狀態(tài)，該區(qū)域可與圍巖開(kāi)挖松弛損傷區(qū)相關(guān)聯(lián)。在廠房第Ⅴ～Ⅶ層開(kāi)挖期間，母線洞鄰近部位圍巖的應(yīng)力松弛區(qū)或拉應(yīng)力區(qū)均出現(xiàn)了較明顯的擴(kuò)大，此階段廠房下游邊墻(母線洞交叉洞口部位)圍巖應(yīng)力松弛深度一般可達(dá)到8m～15m左右，拉應(yīng)力區(qū)分布范圍一般在5m～10m，這與現(xiàn)場(chǎng)揭示的母線洞環(huán)向裂縫開(kāi)裂現(xiàn)象具有對(duì)應(yīng)性。

圖6 主副廠房洞和母線洞之間巖柱最大主應(yīng)力變化過(guò)程

圖7 主副廠房洞和母線洞之間巖柱應(yīng)力松弛區(qū)(最小主應(yīng)力<1MPa)變化過(guò)程

圖8 主副廠房洞和母線洞之間巖柱拉應(yīng)力區(qū)(最小主應(yīng)力<0MPa)變化過(guò)程

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)楊房溝水電站在廠房開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)的母線洞裂縫進(jìn)行分析，結(jié)合母線洞開(kāi)挖時(shí)序和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，從開(kāi)挖變形響應(yīng)和受力特征方面，對(duì)母線洞裂縫成因進(jìn)行了分析和論證。結(jié)論如下：

(1)城門洞型母線洞受河谷偏壓地應(yīng)力特征影響，巖柱內(nèi)應(yīng)力可主要集中于母線洞拱肩區(qū)域及邊墻墻腳區(qū)域，產(chǎn)生應(yīng)力性噴層破裂問(wèn)題；

(2)隨著廠房邊墻持續(xù)下臥，母線洞軸線方向拉應(yīng)力范圍增大，導(dǎo)致母線洞與廠房交叉部位底板產(chǎn)生環(huán)向拉裂裂縫。在廠房后續(xù)開(kāi)挖完成后，該部位圍巖的應(yīng)力松弛問(wèn)題和拉應(yīng)力范圍逐漸穩(wěn)定；

(3)在進(jìn)行廠房邊墻的開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮廠房洞和主變洞之間的巖柱厚度和高邊墻效應(yīng)，結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，對(duì)如母線洞的洞室交叉部位，考慮設(shè)置大噸位預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行深層支護(hù)，對(duì)母線洞環(huán)向應(yīng)力調(diào)整進(jìn)行限制，減小母線洞拉應(yīng)力擴(kuò)展范圍，盡量避免出現(xiàn)環(huán)向裂縫；

(4)在施工過(guò)程中應(yīng)合理控制爆破參數(shù)，提高施工質(zhì)量，及時(shí)支護(hù)。