楊房溝水電站地下廠房圍巖穩(wěn)定分析

閆 興 田，段 偉 鋒，楊 日 昌

(1.華東勘測設計院(福建)有限公司, 福建 福州 350000；2. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概 述

楊房溝水電站是雅礱江中游河段的第6級水電站，電站樞紐由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。該電站開發(fā)任務為發(fā)電，總裝機容量1 500 MW。工程等別為一等大(1)型。廠房洞室開挖尺寸為230 m×30 m×75.57 m(長×寬×高)，分四個機組段布置，機組間距33 m，機組安裝高程1 973.50 m，發(fā)電機層高程1 992 m，開挖底高程1 946.93 m，開挖頂高程2 022.50 m。地下廠房施工面貌見圖1。

圖1 楊房溝水電站地下廠房施工面貌

大型地下洞室開挖過程中，通常遇到不同規(guī)模的塊體問題、片幫與破裂問題、掉塊和坍塌破壞等圍巖破壞類型問題[1-3]。因此，支護施作進度的制定，需要概括地考慮開挖過程中揭露的不同圍巖破壞類型以及監(jiān)測和檢測資料，綜合權衡后進行確定。研究廠房下游邊墻圍巖變形破壞及穩(wěn)定性，對于指導工程設計與施工，具有重要的工程實際意義[4-6]。

2 研究區(qū)基本地質條件

2.1 地形地貌及巖性

楊房溝水電站地下廠房洞室群布置在雅礱江左岸山體內，廠址區(qū)地形較陡峻，岸坡坡度55°～65°，局部為陡崖，地下洞室群位處坡體深部，地下廠房部位的地面高程2 240～2 370 m，上覆巖體厚度197～328 m，水平巖體厚度125～320 m。在地表及沖溝局部覆蓋第四系崩坡積層，廠址開挖范圍內巖性均為燕山期花崗閃長巖(γδ52)。

2.2 地質構造

在開挖過程中，廠房下游邊墻共揭露59條構造形跡，包括發(fā)育11條斷層和48條擠壓帶。斷層寬度一般為1～5 cm，延伸長度一般為30～100 m，除f1-94為巖屑夾泥型外，其余均為巖塊巖屑型，擠壓夾帶寬度一般為1～3 cm，延伸長度10～30 m。主要發(fā)育三組優(yōu)勢節(jié)理：(1)N15～20°E，NW∠75～80°；(2)N85°E，NW∠40～45°；(3)N65～75°W，SW∠65～70°。與洞軸線的夾角分別為15°、80°、75°，其中，第一組優(yōu)勢節(jié)理與洞室軸線呈小角度相交，與切洞向優(yōu)勢節(jié)理組合后對邊墻穩(wěn)定相對不利。

3 變形破壞模式

根據(jù)楊房溝水電站地下廠房洞室群開挖過程中局部破壞現(xiàn)象的控制性因素(圍巖質量、地應力量值、巖體結構特征等)，將圍巖局部變形破壞模式分為應力控制型、結構面控制型、結構面～應力組合型三種。

3.1 應力型破壞

楊房溝地下廠區(qū)屬中等地應力場，整體應力水平不高，在洞室群開挖過程中，應力型破壞并不普遍，僅在零星部位可見薄片狀破壞，并且破壞深度較薄，現(xiàn)場出現(xiàn)片幫破壞位置，肉眼可見深度均不超過10 cm。地下廠房下游邊墻典型應力型破壞現(xiàn)象見圖2。片幫破壞是巖石工程界對常見片狀破壞的統(tǒng)稱，是一種典型的應力型破壞，一般也作為高應力出現(xiàn)的重要判別條件之一。片幫破壞的一般特點：片狀破壞按照剝落厚度可以區(qū)分為薄片狀、片狀和板狀破壞，是一種張性破壞，片幫破壞在開挖后數(shù)小時即發(fā)生，并且隨著時間的推移可以導致一定深度的圍巖發(fā)生普遍的損傷破裂。

圖2 廠房下游邊墻典型應力型破壞特征

3.2 結構面控制型破壞

結構面控制型的圍巖破壞主要表現(xiàn)為結構面相互組合切割形成的塊體失穩(wěn)、結構面密集發(fā)育部位及斷層影響區(qū)等地質缺陷部位局部破碎巖體的掉塊或坍落。該類破壞形式在楊房溝水電站地下洞室開挖過程中比較普遍，同時也是廠房下游邊坡變形破壞的最主要模式。具體表現(xiàn)為以下三個方面：

(1)近洞向不利節(jié)理。下游邊墻主要發(fā)育范圍為N5～30°E，傾向NW(傾壁外)陡傾角節(jié)理，走向與洞向夾角0～25°，夾角小。開挖后順洞向陡傾壁外節(jié)理易卸荷松弛，與其他結構面切割，易形成不利組合塊體，沿NNE向結構面多見掉塊。典型開挖面貌見圖3。

圖3 廠房下游邊墻受近洞向不利節(jié)理切割

(2)節(jié)理密集帶。廠右0+18 m～廠右0+40 m、EL2003 m～EL1 995 m段發(fā)育擠壓帶J1-141、J1-142、J1-158：J1-141產狀為N60°E NW∠60°，寬1～3 cm；J1-142產狀為N85°E NW∠40～45°，寬3～5 cm；J1-158產狀為N0～10°E NW∠50～55°，寬3～5 cm，碎塊巖、巖屑充填，表層張開掉塊，兩側平行節(jié)理發(fā)育，與洞向夾角0～5°。節(jié)理中等發(fā)育～較發(fā)育，主要見以下4組：①N15～25°E NW∠75～80°、②N40°E NW∠45°、③N85°E NW∠40～55°、④N50°E ⊥。

該段邊墻為次塊狀～鑲嵌結構，巖體完整性差～較完整，局部較破碎，部分邊墻發(fā)育節(jié)理密集帶，如廠右0+34～廠右0+40 m段密集帶見圖4，密集帶內沿節(jié)理面輕微蝕變，表層巖體卸荷松弛，屬Ⅲ2類圍巖。節(jié)理密集帶分布范圍見圖5。

圖4 廠右0+34～廠右0+40 m段密集帶

圖5 節(jié)理密集帶分布范圍

(3)斷層及影響帶。下游邊墻受斷層等結構面組合形成多個不利塊體，發(fā)育的11個不利塊體中有4個受控于f1-83及其影響帶。斷層f1-83發(fā)育在下游邊墻廠左0+20～廠左0+39 m，產狀N10～20°E，NW∠75～85°，為近洞向陡傾角巖塊巖屑型結構面，兩側巖體有蝕變現(xiàn)象，局部見擦痕(圖6)。其中，廠右0+5 m～廠左0+31.5 m段巖臺位于f1-83下盤影響帶，存在巖臺問題，典型橫剖面圖見圖7、8。廠左0+31.5 m～廠左0+51.5m段邊墻位于f1-83上盤，表層巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差。該段下游邊墻開挖成型較差，超挖深度10～70 cm。

3.3 結構面～應力組合型破壞

主要受高應力卸荷、調整和結構面共同影響，

圖6 廠房下游邊墻廠左0+31～廠左0+33 m揭露斷層f1-83

圖7 廠房廠左0+30 m橫剖面圖

圖8 廠房廠左0+5 m橫剖面圖

在開挖過程中，圍巖出現(xiàn)原生結構面松弛、張開或錯位、局部發(fā)生拉裂破壞、拉剪破壞等現(xiàn)象。受河谷地應力場影響，廠房下游側墻腳部位為應力集中區(qū)，當該區(qū)域發(fā)育順洞向陡傾結構面時，易發(fā)生結構面～應力組合型破壞特征(圖9)。

圖9 廠房下游邊墻結構面-應力組合型破壞特征

4 圍巖穩(wěn)定性分析及支護措施

4.1 圍巖穩(wěn)定性分析

楊房溝水電站地下廠房洞室群位于中等地應力區(qū)，巖石強度較高，不存在規(guī)模較大的軟弱結構面和斷層影響帶，該基本的地質條件決定了地下洞室群具備較好的整體穩(wěn)定特征。在地下洞室群開挖過程中，順洞向陡傾優(yōu)勢結構面切割，局部洞段也出現(xiàn)圍巖表層剝落、掉塊等現(xiàn)象。廠房開挖成形總體較好，在無支護情況下整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，局部洞段受結構面、地應力等因素影響出現(xiàn)變形現(xiàn)象，但變形量收斂趨于穩(wěn)定，不會造成大范圍破壞。

地下廠房下游邊墻巖性為微風化～新鮮花崗閃長巖，巖質堅硬，主要為次塊狀～鑲嵌結構，局部塊狀結構，巖體完整性差，局部較完整，主要為Ⅲ類圍巖，占比約85.1%，其中Ⅲ1類占67.7%，Ⅲ2類占17.4%；部分Ⅱ類，占比約14.9%。局部斷層帶為Ⅳ類。

4.2 支護措施

楊房溝地下洞室群在進行支護設計時，充分發(fā)揮圍巖本身的自承能力，以系統(tǒng)支護為主，局部加強支護。根據(jù)施工期洞室圍巖開挖揭露的地質條件與安全監(jiān)測成果，及時開展反饋分析，并調整圍巖支護參數(shù)。下游邊墻系統(tǒng)支護參數(shù)如下：噴15 cm網狀混凝土+掛網+龍骨筋，系統(tǒng)錨桿L=6 m/9 m@1.5x1.5 m，2 000 kN無黏結預應力錨索6排。此外，依據(jù)圍巖不同變形破壞模式采取有針對性的支護措施：

(1)在第一主應力方向不利、廠房跨度大、挖空率高、NNE近洞向優(yōu)勢節(jié)理等綜合因素作用下，下游邊墻中部隨廠房下臥持續(xù)變形，累積變形量較大，采用系統(tǒng)錨噴+系統(tǒng)預應力錨索+局部預應力錨桿、扶壁墻支護。

(2)針對斷層f1-83及影響帶的巖體特征和發(fā)育范圍，采取了以下處理措施：① 廠右0+5 m～廠左0+31.5 m段巖臺增加一排玻璃纖維錨桿，加密下拐點的鎖邊錨桿；陡傾角J1-145位于巖錨梁基礎附近，挖除巖臺范圍內J1-145上盤蝕變巖體及局部巖臺上的蝕變巖體，在巖錨梁以上采用加密錨桿+系統(tǒng)預應力錨索措施；針對巖臺以下J1-146抗滑穩(wěn)定問題，采用預應力錨桿+扶壁墻+預應力錨索措施。② 廠左0+31.5 m～廠左0+51.5 m段采用預應力錨桿+系統(tǒng)帶墊板錨桿等加強支護措施。

4.3 效果評價

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，通過系統(tǒng)錨噴、局部加強支護后，下游邊墻圍巖穩(wěn)定性好。主廠房布置了5個主監(jiān)測斷面，分別位于樁號廠右0+000、0+033、0+066、0+099、0+145，截至2020年9月，監(jiān)測成果如下：

(1)多點位移計監(jiān)測。目前多點位移計累計位移最大值為15.49 mm(Mcf-0-038-1)，上游拱肩為38.44 mm(Mcf-0+000-2)，下游拱肩為1.65 mm(Mcf-0+033-3)；9月平均變化速率為0.005 mm，各多點位移計變形量小。

(2)錨桿應力計。目前實測錨桿應力介于-1.24～496.01 MPa，月變化量介于0.02～-2.01 MPa，變化量小。

(3)錨索測力計監(jiān)測。頂拱200 t錨索實測荷載1 482.6 kN，荷載占鎖定荷載比率為74.13%，當前荷載增長率為9.24%。下游邊墻典型監(jiān)測曲線見圖10。監(jiān)測成果表明：多點位移計、錨桿應力計和錨索測力計各項監(jiān)測數(shù)據(jù)測值收斂，圍巖穩(wěn)定。

圖10 下游邊墻典型監(jiān)測曲線

5 結 語

楊房水電站地下廠房巖性為花崗閃長巖，巖石堅硬完整，中等地應力水平。廠址區(qū)構造作用強烈，結構面較發(fā)育，下游邊墻圍巖變形破壞模式劃分為：應力型破壞、結構面型破壞、結構面～應力組合型破壞三種類型。主要破壞類型為結構面型破壞，其表現(xiàn)為近洞向陡傾角節(jié)理發(fā)育、節(jié)理密集帶以及斷層及影響帶。下游邊墻開挖過程中，針對圍巖的三類不同變形破壞模式，采用了系統(tǒng)錨噴+系統(tǒng)預應力錨索+局部預應力錨桿和扶壁墻等支護措施，經支護后，監(jiān)測成果顯示圍巖穩(wěn)定性好。