某水電站軟巖試驗洞圍巖變形監(jiān)測及規(guī)律分析

鄭 濤

(浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310014)

0 引言

某水電站位于四川省丹巴縣境內(nèi)的大渡河干流,電站裝機(jī)容量1 160 MW,廠壩之間采用長約17.4 km 的2 條長引水隧洞連接,隧洞直徑約14～16 m,隧洞軸線走向約N10～20°W,洞室垂直埋深一般為500～800 m,最大埋深約1 200 m。引水建筑物擬布置在大渡河左岸山體中,其中調(diào)壓室和壓力管道洞段圍巖主要由石英云母片巖組成,夾云母石英片巖和變粒巖,以及石英脈、少量偉晶巖脈,部分變粒巖條帶及角閃巖脈發(fā)育,局部發(fā)育方解石脈,圍巖強(qiáng)度變低,為典型的軟巖區(qū)域。石英云母片巖具有較強(qiáng)的非線性蠕變特征,并且應(yīng)力水平高于某值時會有加速蠕變現(xiàn)象,此外,由于歷史上受強(qiáng)烈構(gòu)造擠壓的地質(zhì)作用,石英云母片巖片理面仍具有致密性、緊密膠結(jié)等特性,呈現(xiàn)出“似塊狀”結(jié)構(gòu)。同時,石英云母片巖還具有明顯的各向異性特征。因此,研究以石英云母片巖為主的地下洞室圍巖變形規(guī)律,對圍巖支護(hù)設(shè)計、建設(shè)期開挖防護(hù)措施選擇等具有指導(dǎo)意義。為此,利用該水電站CPD1 地質(zhì)勘探洞,在軟巖分布區(qū)域開挖了1 個斷面尺寸為8 m×8 m 的試驗洞,試驗洞起始樁號為K1+745 m,終點樁號為K1+781 m,洞長共36 m,其中擴(kuò)挖段8 m,直線段28 m,試驗洞斷面采用城門洞型布置,試驗洞軸線方向為N8°E。

1 軟巖試驗洞監(jiān)測布置

為研究軟巖變形規(guī)律,取得模擬試驗洞開挖全過程的觀測資料,在試驗洞左邊墻側(cè)平行布置1 條觀測支洞預(yù)埋觀測儀器,主要用于觀測試驗洞左側(cè)邊墻水平向變形。試驗洞內(nèi)共布置3 個監(jiān)測斷面(A-A、B-B、C-C),監(jiān)測斷面的樁號分別為：K1+759.00 m、K1+762.00 m、K1+765.00 m,每個監(jiān)測斷面在試驗洞的頂拱和左右邊墻中部各布置1 套多點位移計,其中左邊墻的多點位移計采用從觀測支洞預(yù)埋的方式以監(jiān)測試驗洞開挖全過程的圍巖變形情況,頂拱和右邊墻的多點位移計則采用即埋式。模擬試驗洞及觀測支洞的平面布置以及監(jiān)測斷面具體布置見圖1。

圖1 試驗洞監(jiān)測平面布置圖Fig.1 Monitoring layout plan of test tunnel

(1) 預(yù)埋式多點位移計：從觀測支洞向試驗洞近水平鉆孔安裝,以了解試驗洞開挖全過程的圍巖深部變形情況。共布置有3 套六點式位移計,每套位移計各錨固點與試驗洞左側(cè)邊墻的距離分別為0.3 m、0.8 m、2.0 m、4.0 m、6.0 m、12.0 m。但在試驗洞開挖過程中因超挖及爆破控制等原因,使得預(yù)埋多點位移計各測點位置與的設(shè)計有一定的偏差,根據(jù)實際測量和計算,預(yù)埋多點位移計各測點距試驗洞左側(cè)邊墻的實際距離見表1。

表1 預(yù)埋多點位移計各錨頭距試驗洞左側(cè)邊墻的距離(單位：m)Tab.1 The distance between each anchor head of the embedded multi-point displacement meter and the left side wall of the test hole (unit：m)

(2) 即埋式多點位移計：當(dāng)試驗洞開挖到監(jiān)測斷面樁號時,在試驗洞拱頂及右側(cè)邊墻各布置1 套四點式位移計,每套位移計各錨頭與試驗洞洞壁的距離分別為：0.8 m、2.0 m、4.0 m、6.0 m。

2 試驗洞施工時間節(jié)點

試驗洞開挖是以先開挖導(dǎo)洞,再擴(kuò)挖成型的方式進(jìn)行的,具體施工節(jié)點詳見表2。

表2 試驗洞開挖施工節(jié)點時間Tab.2 The test tunnel excavation and construction node time

3 圍巖變形監(jiān)測成果及分析

3.1 預(yù)埋多點位移計監(jiān)測成果及分析

由于文章篇幅有限,該文主要以B-B 斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為分析,試驗洞在該斷面左側(cè)邊墻預(yù)埋的1 套六點式多點位移計B-1 監(jiān)測到了試驗洞從開挖到結(jié)束的全過程圍巖變形情況,較全面的反映了圍巖變形的空間和時間上的分布關(guān)系,其變形與時間過程線見圖2。從過程線圖可見：

圖2 左邊墻預(yù)埋多點位移計B-1 測值過程線Fig.2 Process line of B-1 measurement value of embedded multi-point displacement meter on the left wall

(1) 臨近監(jiān)測斷面區(qū)域爆破開挖時圍巖變形急劇增大,停止開挖期間圍巖變形逐步趨于穩(wěn)定。

(2) 試驗洞邊墻圍巖的蠕變比較明顯,如在2013 年4 月21 日至7 月31 日約100 天的停挖期間,邊墻淺部(表層) 圍巖仍有約10 mm 變形增量,圖3 給出了典型測點的變形速率過程線,可以看出在停挖初期圍巖變形速率較大,之后逐漸減小并趨于穩(wěn)定;在約100 天的停挖期間其平均變形速率約0.1 mm/d。

圖3 典型測點變形速率過程線Fig.3 Deformation rate process line of typical measuring points

(3) 試驗洞左邊墻圍巖變形較大,最大變形達(dá)到約50 mm;圍巖變形影響深度較深,預(yù)埋多點位移計各測點沿洞壁的變形分布見圖4,由圖4可見,試驗洞開挖結(jié)束后距試驗洞邊墻4.6 m 測點變形約5 mm、6.6 m 測點變形約4 mm、7.8 m測點變形約3 mm,綜合來看邊墻圍巖的變形影響深度達(dá)到8 m 以上。

圖4 B-1 測點沿洞壁距離的變形分布曲線圖Fig.4 Deformation distribution curve of B-1 measuring point along the distance of the cave wall

3.2 即埋多點位移計監(jiān)測成果及分析

試驗洞B-B 監(jiān)測斷面右側(cè)邊墻及頂拱即埋的2 套四點式多點位移計的監(jiān)測成果見圖5、圖6,從過程線圖可見：

圖5 頂拱即埋多點位移計B-2 測值過程線Fig.5 Process line of B-2 measurement value of top arch and buried multi-point displacement meter

圖6 右邊墻即埋多點位移計B-3 測值過程線Fig.6 The measured value process line of the buried multi-point displacement meter B-3 on the right wall

(1) 試驗洞右邊墻圍巖表面變形約10 mm,比左邊墻的圍巖變形小約40 mm,說明在即埋多點位移計安裝埋設(shè)前圍巖的大部分變形已被釋放,即埋多點位移計只捕捉到圍巖相對較小的部分位移。

(2) 試驗洞頂拱圍巖變形約為2～4 mm,遠(yuǎn)小于邊墻的圍巖變形,說明洞室開挖形成后的拱效應(yīng)對頂拱變形有一定的制約,頂拱部位主要出于受壓狀態(tài)。

(3) 右邊墻的圍巖變形影響深度范圍要大于頂拱的,其中右邊墻的變形影響深度在2 m 以上,而頂拱的變形影響深度約0.8 m。

(4) 綜合預(yù)埋多點位移計和即埋多點位移計的監(jiān)測成果,繪制監(jiān)測斷面在試驗洞K1+768～K1+786 洞段開挖期間典型圍巖變形增量過程線見圖7,由圖可見,試驗洞圍巖變形總體上左邊墻大于右邊墻、右邊墻大于頂拱。

圖7 B-1 斷面不同部位表面變形增量對比Fig.7 Comparison of surface deformation increments at different parts of section B-1

3.3 軟巖試驗洞與玄武巖試驗洞圍巖變形對比分析

軟巖試驗洞與某水電站玄武巖試驗洞的布置形式基本一致,均布置有觀測支洞預(yù)埋多點位移計觀測邊墻圍巖在開挖期間的全過程變形情況,其中玄武巖試驗洞圍巖為典型的柱狀節(jié)理玄武巖,巖性較硬;軟巖試驗洞圍巖為典型的二云片巖,巖性較軟。將軟巖試驗洞與玄武巖試驗洞的監(jiān)測成果進(jìn)行對比,見表3。

表3 軟巖試驗洞與玄武巖試驗洞監(jiān)測成果對比Tab.3 Comparison of monitoring results between the soft rock test cave and the basalt test cave

由表3 可見,軟巖試驗洞的尺寸較玄武巖試驗洞稍小,但無論是從邊墻變形、頂拱變形、變形影響深度、圍巖松弛厚度還是圍巖蠕變增量,均要明顯大于玄武巖試驗洞,說明軟巖具有變形量值大、變形影響深度大、圍巖松弛厚度深以及蠕變明顯等特點。

4 結(jié)語

根據(jù)監(jiān)測成果分析,某水電站軟巖試驗洞圍巖的變形規(guī)律及圍巖支護(hù)建議如下：

(1) 圍巖變形量值大,左邊墻最大變形已達(dá)到50 mm 以上;

(2) 圍巖變形影響深度范圍大,邊墻圍巖最大變形影響深度達(dá)到8 m 以上,而頂拱圍巖的最大變形影響深度約0.8 m;

(3) 圍巖的蠕動變形較明顯,在約100 天的停挖期間,圍巖最大變形增量達(dá)10 mm,平均變形增量速率約0.1 mm/d;

(4) 邊墻的圍巖變形明顯大于頂拱的圍巖變形,表明洞室開挖形成后邊墻圍巖;

(5) 針對軟巖可采用預(yù)留剛隙柔層支護(hù)技術(shù),在柔性噴層和鋼架之間預(yù)留一定量的空隙,在剛隙柔層的控制下,圍巖有限制的充分變形,從而形成比較均勻的外部塑性工作狀態(tài)區(qū)和內(nèi)部彈性工作狀態(tài)區(qū),以達(dá)到把高應(yīng)力能量轉(zhuǎn)化為變形、高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖內(nèi)部的目的,待柔性噴層與鋼架接觸時,再噴射混凝土永久支護(hù)。