猴子巖水電站尾調(diào)室圍巖變形破壞機(jī)理及加固處理措施研究

李治國(guó)，羅乾坤

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河干流水電規(guī)劃調(diào)整推薦22級(jí)開(kāi)發(fā)方案的第9個(gè)梯級(jí)電站，上游為丹巴水電站，下游為長(zhǎng)河壩水電站。電站采用壩式開(kāi)發(fā)，樞紐建筑物主要由攔河壩、兩岸泄洪及放空建筑物、地下引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。引水發(fā)電系統(tǒng)布置于大渡河右岸，采用首部式地下廠房，電站裝機(jī)容量1 700 MW(4×425 MW)。

發(fā)電廠房布置于大渡河右岸略靠壩軸線上游山體內(nèi)，縱軸線方向?yàn)镹61°W，左上角距壩軸線鉛直面約100 m，順壩軸線方向距右壩肩約200 m。廠房最小垂直埋深約380 m，最小水平埋深約250 m。其中，廠房為219.5 m×29.2 m×68.7 m(長(zhǎng)×寬×高)，主變室為139 m×18.8 m×25.2 m(長(zhǎng)×寬×高)，尾調(diào)室為140.5 m×23.5 m×75.0 m(長(zhǎng)×寬×高)；三大洞室平行布置，尾水調(diào)壓室中心線和廠房頂拱中心線間距為134.9 m，主變室與廠房和尾水調(diào)壓室間巖柱厚度分別為45.0 m和44.75 m。

地下廠房洞室群規(guī)模巨大，地質(zhì)條件復(fù)雜，地應(yīng)力較高，巖體強(qiáng)度相對(duì)較低。在尾調(diào)室開(kāi)挖至Ⅵ層(見(jiàn)圖1)時(shí)，尾調(diào)室拱腳部位出現(xiàn)不同程度破壞，如混凝土噴層開(kāi)裂、脫落等。

圖1 尾調(diào)室開(kāi)挖分層(單位：m)

2 工程地質(zhì)條件

猴子巖水電站地下廠房洞室群地處深山峽谷區(qū)，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)總體特點(diǎn)以整體間歇性強(qiáng)烈抬升為主，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力最大主應(yīng)力方向表現(xiàn)為近EW向或NWW～SEE向。巖體以堅(jiān)硬較完整變質(zhì)灰?guī)r為主，易于蓄集較高的應(yīng)變能，地應(yīng)力值相對(duì)較高，為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與地形自重應(yīng)力場(chǎng)疊加的結(jié)果。實(shí)測(cè)地應(yīng)力表明：廠區(qū)實(shí)測(cè)最大地應(yīng)力為36.43 MPa，第二主地應(yīng)力也較高，達(dá)到29.8 MPa，屬于高地應(yīng)力區(qū)，地應(yīng)力測(cè)試成果見(jiàn)表1。

表1 巖體空間應(yīng)力測(cè)試成果

據(jù)勘探平洞揭示，地下廠區(qū)無(wú)區(qū)域斷裂通過(guò)，僅主機(jī)間上游發(fā)育一條寬1.0～1.5 m的斷層F1-1，其他結(jié)構(gòu)面為次級(jí)小斷層、擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙，廠房部位巖體完整性總體為較完整～完整，圍巖以Ⅲ1類為主，主要結(jié)構(gòu)面見(jiàn)圖2。

圖2 地下廠房區(qū)1 704.9 m高程工程地質(zhì)平切示意

廠房軸線為N61°W，與廠區(qū)最大主應(yīng)力σ1方向夾角為0°～20°，與廠房區(qū)主要結(jié)構(gòu)面(層面裂隙及順層擠壓帶走向N50°～70°E)夾角為50°～70°，呈大角度相交，對(duì)圍巖穩(wěn)定有利。

3 尾調(diào)室圍巖變形破壞現(xiàn)象

3.1 混凝土噴層開(kāi)裂

2013年9月經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，在尾調(diào)室上游側(cè)廠橫0+60 m～0+136 m拱腳部位(高程1 736.5 m)混凝土噴層多以水平向開(kāi)裂為主，局部出現(xiàn)噴層剝落現(xiàn)象。在廠橫0+126 m～0+136 m上游拱腳處裂縫張開(kāi)較大，局部最大可達(dá)5～8 cm。

3.2 圍巖拉張、剪張破壞

在1號(hào)尾調(diào)室右端墻以及1號(hào)尾調(diào)室上游邊墻的底部，圍巖次生結(jié)構(gòu)面陡傾于臨空面，傾角大多為65°～75°，圍巖成薄片狀，巖體破碎。圖3為1號(hào)調(diào)壓室上游邊墻底部圍巖狀況，結(jié)構(gòu)面陡傾于洞內(nèi)；圖4為1號(hào)調(diào)壓室右端墻至上游邊墻底部圍巖狀況，結(jié)構(gòu)面陡傾于洞內(nèi)，在拐角處弧狀過(guò)渡。

圖3 1號(hào)調(diào)壓室上游邊墻底部圍巖拉張破壞 圖4 1號(hào)調(diào)壓室上游邊墻-右端墻底部圍巖張剪破壞

4 破壞機(jī)理分析

4.1 監(jiān)測(cè)成果反饋分析

4.1.1 三維數(shù)值計(jì)算模型

對(duì)猴子巖地下廠房所處的右岸山體，截取有限元計(jì)算范圍，X方向由上游指向下游，截取長(zhǎng)度為528.7 m；鉛直向Y底部取至1 400.0 m高程，頂部延伸至山頂；Z方向由岸坡指向山里，截取長(zhǎng)度為425.40 m(廠橫0+282.2 m至廠橫0-143.20 m)。三維建模時(shí)根據(jù)地質(zhì)剖面，嚴(yán)格模擬巖層界面、地形和斷層等地質(zhì)特征。離散中充分反映了斜坡地形地質(zhì)條件對(duì)地下工程的影響，巖體均采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體等參實(shí)體單元及其退化單元模擬，錨桿和錨索均采用桿單元。三維網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)73 496，單元數(shù)80 761。數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

圖5 地下廠房洞室群開(kāi)挖區(qū)的三維數(shù)值計(jì)算模型

4.1.2 分級(jí)開(kāi)挖后圍巖變形特征

根據(jù)第4級(jí)開(kāi)挖支護(hù)結(jié)束后的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行第4級(jí)監(jiān)測(cè)反饋分析，并預(yù)測(cè)第6級(jí)和第8級(jí)開(kāi)挖完成后的結(jié)果。從開(kāi)挖后的位移分布(見(jiàn)圖6)可以看出，尾調(diào)室上游邊墻變形大于下游邊墻，頂拱變形小于邊墻變形；從第4級(jí)開(kāi)始，隨著洞室下臥，尾調(diào)室頂拱變形逐漸回彈，尾調(diào)室邊墻的變形持續(xù)增長(zhǎng)，每級(jí)開(kāi)挖的最大變形均出現(xiàn)在邊墻中部區(qū)域。

圖6 尾調(diào)室典型剖面各層開(kāi)挖變形輪廓(單位：mm)

4.1.3 分級(jí)開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力分布

圖7為尾調(diào)室分級(jí)開(kāi)挖后典型剖面應(yīng)力矢量示意，洞周應(yīng)力分布規(guī)律如下：尾調(diào)室上下游拱腳部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，邊墻水平向卸荷程度大、豎向有一定程度加載，且邊墻中部有近水平向的拉應(yīng)力出現(xiàn)；在第4級(jí)開(kāi)挖后上游拱腳最大主應(yīng)力接近環(huán)向、達(dá)到120 MPa，最小主應(yīng)力接近徑向、僅有9 MPa，懸殊的主應(yīng)力差導(dǎo)致該部位發(fā)生壓裂，下游拱腳應(yīng)力集中程度比上游好，在第4級(jí)開(kāi)挖后最大主應(yīng)力114 MPa、最小主應(yīng)力近17 MPa；隨著開(kāi)挖下臥，到第8級(jí)開(kāi)挖完成以后，上游拱腳最大主應(yīng)力增長(zhǎng)為150 MPa，而最小主應(yīng)力沒(méi)有發(fā)生明顯變化，因此隨著洞室下臥，拱腳的應(yīng)力集中程度進(jìn)一步增加。

圖7 尾調(diào)室典型剖面各級(jí)開(kāi)挖應(yīng)力矢量示意

4.1.4 分級(jí)開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)分布

尾調(diào)室洞周塑性區(qū)深度隨著開(kāi)挖下臥持續(xù)增加，第4級(jí)開(kāi)挖后，上下游邊墻的塑性區(qū)深度分別為9.46 m、9.89 m，到第6級(jí)開(kāi)挖后，相同部位的塑性區(qū)深度增長(zhǎng)為12.05 m、11.86 m；上下游邊墻的塑性區(qū)深度相差不大；若不采取加強(qiáng)支護(hù)措施，僅在當(dāng)前支護(hù)強(qiáng)度下，當(dāng)?shù)?層開(kāi)挖完成后，尾調(diào)室上游邊墻下部的塑性區(qū)范圍基本與尾水連接洞和主變下游邊墻貫通(見(jiàn)圖8)。

圖8 典型剖面塑性區(qū)分布

4.2 圍巖破壞機(jī)理分析

4.2.1 尾調(diào)室拱腳

尾調(diào)室上游拱腳整體為Ⅲ1類巖，局部為Ⅲ2類巖，完整性好，僅局部有小型擠壓破碎帶，上游拱腳出現(xiàn)的混凝土噴層開(kāi)裂現(xiàn)象不是由巖體地質(zhì)缺陷引起的。

尾調(diào)室內(nèi)的地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)SPD1-2和靠近尾調(diào)的兩個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)SPD1-3、SPD1-4的實(shí)測(cè)地應(yīng)力見(jiàn)表1，將實(shí)測(cè)地應(yīng)力投影到尾調(diào)室橫剖面上，其投影應(yīng)力分布見(jiàn)圖9?？梢?jiàn)，橫剖面的投影地應(yīng)力存在偏壓現(xiàn)象，平均偏壓角度約28°，投影的大主應(yīng)力偏水平向、小主應(yīng)力偏豎直向，但大主應(yīng)力與小主應(yīng)力量值相差不大，平均相差5.5 MPa，因此推測(cè)尾調(diào)室存在一定程度偏壓。反饋分析結(jié)果也表明尾調(diào)室上下游拱腳部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，且上游拱腳的應(yīng)力集中程度大于下游拱腳，在第4級(jí)開(kāi)挖后，上游拱腳最大主應(yīng)力接近環(huán)向、達(dá)到120 MPa，最小主應(yīng)力接近徑向、僅有9 MPa。懸殊的主應(yīng)力差導(dǎo)致該部位發(fā)生壓裂，到第8級(jí)開(kāi)挖完成以后，上游拱腳最大主應(yīng)力增長(zhǎng)為150 MPa，而最小主應(yīng)力沒(méi)有發(fā)生明顯變化。因此，隨著洞室下臥，拱腳的應(yīng)力集中程度進(jìn)一步增加。

圖9 尾調(diào)室地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)應(yīng)力在尾調(diào)橫剖面的應(yīng)力分布

尾調(diào)室上游拱腳部位的混凝土噴層開(kāi)裂是由應(yīng)力集中引起的巖體時(shí)效破壞現(xiàn)象，其變形破壞過(guò)程為：應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力超過(guò)表層巖體的強(qiáng)度，表層巖體發(fā)生劈裂片幫破壞，應(yīng)力集中區(qū)往巖體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，如果此時(shí)為片幫巖體提供一個(gè)法向壓力(圍壓)，使巖體的破壞模式從壓致劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閴杭羝茐?，后者的抗破壞能力遠(yuǎn)高于前者，并且提供的法向壓力越大，抗破壞強(qiáng)度越高，巖體則越難破壞。數(shù)值分析表明，下游拱腳的受力情況與上游拱腳相似，應(yīng)力集中程度與上游拱腳相比偏好，尚未出現(xiàn)明顯的混凝土噴層開(kāi)裂。從開(kāi)挖后的監(jiān)測(cè)資料看，尾調(diào)室拱腳部位整體穩(wěn)定，圍巖破壞深度也不大，但由于上下游拱腳僅有混凝土噴層和錨桿支護(hù)，且上游拱腳噴層已出現(xiàn)開(kāi)裂、部分錨桿超限，二者所起的支護(hù)作用被削減，巖體強(qiáng)度也隨之降低，應(yīng)力峰值不能在某個(gè)強(qiáng)度足夠的點(diǎn)穩(wěn)定下來(lái)，松弛區(qū)往深部擴(kuò)展，表現(xiàn)出時(shí)效變形破壞現(xiàn)象。因此，考慮在上下游拱腳增加預(yù)應(yīng)力錨索，為巖體提供足夠的圍壓，由于偏壓的存在，上游拱腳的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于下游。

4.2.2 尾調(diào)室邊墻

尾調(diào)室邊墻巖體以Ⅲ1類為主，開(kāi)挖揭示的地質(zhì)條件良好。從巖層產(chǎn)狀來(lái)看，尾調(diào)邊墻巖體的片幫剝落與巖體的原生結(jié)構(gòu)面無(wú)關(guān)，巖體的片幫不是原生結(jié)構(gòu)面張開(kāi)導(dǎo)致的，而是高地應(yīng)力下開(kāi)挖卸荷引起的。

監(jiān)測(cè)反饋分析及預(yù)測(cè)結(jié)果反映出如下現(xiàn)象：①?gòu)牡?層開(kāi)始，隨著洞室下臥，尾調(diào)室頂拱變形逐漸回彈，尾調(diào)室邊墻的變形持續(xù)增長(zhǎng)，每級(jí)開(kāi)挖的最大變形均出現(xiàn)在邊墻中部區(qū)域；②尾調(diào)室上下游邊墻水平向卸荷程度大、豎向有一定程度加載，且邊墻中部有近水平向的拉應(yīng)力出現(xiàn)；③尾調(diào)室由于高邊墻作用，其塑性破壞區(qū)深度增長(zhǎng)較快，現(xiàn)有支護(hù)強(qiáng)度偏弱。

對(duì)尾調(diào)上游邊墻從高程1 738.5 m至高程1 708 m范圍、下游邊墻高程1 728 m至高程1 708 m范圍增加錨索支護(hù)，當(dāng)?shù)?層開(kāi)挖完成以后，尾調(diào)上游邊墻的塑性區(qū)深度為9.74 m、下游為10.01 m，塑性區(qū)深度明顯降低，邊墻受力情況轉(zhuǎn)好，加固與不加固兩種方案計(jì)算的塑性區(qū)體積變化過(guò)程見(jiàn)圖8。

5 處理措施及效果

5.1 處理措施

根據(jù)開(kāi)挖揭示的地質(zhì)條件、變形破壞特征、監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、數(shù)值分析等成果，針對(duì)尾調(diào)室變形破壞采取的主要措施為：

(1)尾調(diào)室上游拱腳增加三排錨索，尾調(diào)室下游拱腳增加一排錨索；

(2)對(duì)上下游邊墻中上部采取系統(tǒng)錨索加強(qiáng)，對(duì)特殊地質(zhì)條件部分進(jìn)行局部加強(qiáng)處理；

(3)適當(dāng)提高尾調(diào)室中隔墻對(duì)穿錨索噸位，提高中隔墻體的完整性以增強(qiáng)其對(duì)上下游邊墻的支撐作用；

(4)采用帶尾墊板錨桿，抑制邊墻的淺層變形破壞；

(5)加密錨索布置，將尾調(diào)室上下游邊墻下部錨索間距由4 m調(diào)整為3 m。

5.2 支護(hù)效果

截至2018年9月18日，尾調(diào)室圍巖變形監(jiān)測(cè)成果顯示：頂拱和上游邊墻、拱腳和下游邊墻，及拱腳最大位移分別為39.72 mm、118.83 mm和100.67 mm，2018年6月13日— 2018年9月18日期間，日平均最大變形速率分別為0.001 mm/d、0.004 mm/d和0.018 mm/d，變形速率微小，圖10和圖11為尾調(diào)室上下游邊墻(廠橫)0+116.30 m四點(diǎn)式位移計(jì)孔口位移特征線。從圖10～11可以看出，尾調(diào)室位移增加主要發(fā)生在開(kāi)挖和爆破期間，變形已趨于收斂。因此，對(duì)尾調(diào)室拱腳、邊墻及中隔墻采用加強(qiáng)處理措施后，洞室圍巖穩(wěn)定，加強(qiáng)支護(hù)效果較好。

圖10 2號(hào)尾調(diào)室上游邊墻((廠橫)0+116.30 m、1 735.30 m高程)M4CF5-18位移過(guò)程線

圖11 2號(hào)尾調(diào)室下游邊墻((廠橫)0+116.30 m、1 716.10 m高程)M4CF5-26位移過(guò)程線

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)尾調(diào)室上游拱腳部位，混凝土噴層開(kāi)裂是開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力集中引起的巖體時(shí)效破壞現(xiàn)象，其變形破壞過(guò)程為：應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力超過(guò)表層巖體的強(qiáng)度，表層巖體發(fā)生劈裂片幫破壞，應(yīng)力集中區(qū)往巖體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，通過(guò)為巖體提供一個(gè)法向壓力(圍壓)，使巖體的破壞模式從劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閴杭羝茐?，且后者的抗破壞能力遠(yuǎn)高于前者。因此，可通過(guò)在拱腳增加預(yù)應(yīng)力錨索，為巖體提供足夠的圍壓，避免圍巖進(jìn)一步破壞。

(2)邊墻的變形破壞帶有整體性趨勢(shì)，這主要是由于洞室處于強(qiáng)烈壓縮環(huán)境中，地應(yīng)力高，而巖體強(qiáng)度相對(duì)較低，開(kāi)挖卸荷后引起了較大的變形。圍巖變形破壞分布與地應(yīng)力分布規(guī)律密切相關(guān)，總體上受地應(yīng)力方向控制，同時(shí)巖層層面、斷層及節(jié)理裂隙等加劇了這種破壞效應(yīng)，對(duì)高邊墻應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)深層支護(hù)。

(3)受高地應(yīng)力影響，尾調(diào)室拱腳和邊墻圍巖出現(xiàn)了不同程度的變形破壞。通過(guò)分析研究，對(duì)尾調(diào)室采取加強(qiáng)處理措施后，監(jiān)測(cè)成果表明，加固支護(hù)后洞室圍巖穩(wěn)定。由于多數(shù)監(jiān)測(cè)儀器的安裝滯后于開(kāi)挖，因此監(jiān)測(cè)儀器測(cè)值往往存在損失變形，建議類似工程通過(guò)附屬洞室提前實(shí)施監(jiān)測(cè)儀器的預(yù)埋，為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。