趙勇進(jìn)，李燕輝

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 概述

博瓦、新藏水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)，是金沙江左岸一級(jí)支流水洛河“一庫(kù)十一級(jí)”中第八、第七個(gè)梯級(jí)電站。博瓦電站是新藏電站下游梯級(jí)電站，兩電站廠房相距僅約15 km。博瓦電站以發(fā)電為主，采用引水式開(kāi)發(fā)。電站正常蓄水位高程1 995 m，最大閘壩高17 m，裝機(jī)容量162 MW。新藏電站正常蓄水位高程2 169 m，最大閘壩高18.5 m，裝機(jī)容量186 MW。

兩電站廠房均為地下廠房。為探明廠房區(qū)巖體地應(yīng)力狀況，進(jìn)一步為設(shè)計(jì)部門(mén)選取地下廠房軸線方向提供依據(jù)，在兩電站廠房洞分別進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)量方法采用孔徑變形法。

2 測(cè)量原理

孔徑變形法測(cè)量巖體三維應(yīng)力，即在巖體中鉆取3個(gè)不同方向(相鄰孔夾角不小于30°)的交匯孔，對(duì)3個(gè)孔分別進(jìn)行孔徑變形測(cè)量，最后獲得巖體三維應(yīng)力狀態(tài)。

首先建立一空間大地坐標(biāo)系OXYZ，OX指向北(N)，OY指向西(W)，OZ鉛直向上，測(cè)點(diǎn)處為O點(diǎn);對(duì)鉆孔建立鉆孔坐標(biāo)系OXYZ，其中X軸為鉆孔鉆進(jìn)方向，Y軸位于XOY平面上。兩坐標(biāo)系見(jiàn)圖1。

應(yīng)力分量由下式確定:

圖1 坐標(biāo)系示意圖

式中 a11～an6為系數(shù)表達(dá)式，是鉆孔方向、元件安裝方向、泊松比的函數(shù)式，即由第n組變形測(cè)值建立的觀測(cè)方程的系數(shù);∑1～∑n為測(cè)值表達(dá)式，計(jì)算式為:

通過(guò)最小二乘法將上述n個(gè)觀測(cè)方程變成法方程組，從而解出6個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量 σx，σy，σz，τxy，τyz，τzx。

主應(yīng)力的大小由下式確定:

式中 i=1，2，3。

確定主應(yīng)力的方向，其方向余弦滿足下面兩式。

式中 i=1，2，3;li，mi，ni分別為 σi與坐標(biāo)軸夾角的方向余弦。

3 測(cè)量成果及分析

地應(yīng)力測(cè)量成果見(jiàn)表1。從測(cè)量結(jié)果可見(jiàn)，博瓦水電站廠房測(cè)點(diǎn)巖體應(yīng)力具有以下特點(diǎn):

(1)σ1量值為20.23 MPa，屬中等偏高應(yīng)力。測(cè)點(diǎn)巖性為大理巖夾石英片巖，最大主應(yīng)力量值相對(duì)于巖石的濕抗壓強(qiáng)度而言，屬中等偏高應(yīng)力。

(2)最大主應(yīng)力方向呈NNW向。

從圖2可見(jiàn)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造較復(fù)雜，斷層、褶皺發(fā)育，主要發(fā)育NW、NE、SN向三組斷裂和褶皺，以NW向?yàn)橹鳎琋E向次之，SN向最少;下博瓦斷層于廠址上游側(cè)斜穿水洛河，與河流呈40°～50°夾角，距廠房最近距離約160 m，斷層總體走向N50°～60°W，傾向 NE，傾角 75°～80°;測(cè)點(diǎn)優(yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙產(chǎn)狀為N15°～20°W/SW∠60°～65°。這些地質(zhì)構(gòu)造的存在，造成了NE向應(yīng)力有所釋放。因此，區(qū)域構(gòu)造(NW向)及局部構(gòu)造(優(yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙)共同控制了測(cè)點(diǎn)巖體應(yīng)力狀態(tài)。測(cè)點(diǎn)的巖體最大主應(yīng)力方向與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向(NW～NWW)基本一致。

(3)σ1及 σ3傾角均小于 30°，σ2傾角較大，超過(guò)60°，反映了測(cè)點(diǎn)巖體應(yīng)力場(chǎng)近似水平應(yīng)力場(chǎng)。

測(cè)點(diǎn)平洞巖體強(qiáng)卸荷水平深度約10～15 m，弱風(fēng)化、弱卸荷水平深度約15～41 m。河水面寬一般為40～50 m，最寬約60 m，河谷呈不對(duì)稱的“V”形。區(qū)內(nèi)兩岸山體雄厚，河谷狹窄，地形陡峭，臨河谷自然坡度均大于50°?？梢?jiàn)測(cè)點(diǎn)σ1傾角大小受地形影響相對(duì)較小，主要由區(qū)域及局部構(gòu)造應(yīng)力方向控制。

(4)測(cè)點(diǎn)巖體地應(yīng)力由自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、殘余應(yīng)力及其它變異應(yīng)力綜合疊加而成，但總體以自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力為主。

新藏電站廠房測(cè)點(diǎn)巖體應(yīng)力具有以下特點(diǎn):

(1)σ1量值達(dá)31.75 MPa，屬高應(yīng)力。

測(cè)點(diǎn)巖體應(yīng)力為高應(yīng)力可從以下幾點(diǎn)得到印證:①?gòu)S房部位巖性為大理巖，大理巖新鮮、完整，巖質(zhì)堅(jiān)硬，抗變形能力強(qiáng)，容易蓄積較高的應(yīng)變能，單從巖石本身而言，具備存儲(chǔ)較高應(yīng)力的條件。②測(cè)點(diǎn)鉆孔布置見(jiàn)圖2，巖體應(yīng)力測(cè)量過(guò)程中，在3、4#兩個(gè)鉆孔中，均出現(xiàn)了 φ130餅狀巖芯，其中3#孔餅狀巖芯尤為發(fā)育。餅狀巖芯大多長(zhǎng)2～5 cm，以2 cm居多。由于3#孔餅狀巖芯過(guò)于發(fā)育，無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)，后經(jīng)調(diào)整鉆孔方向，補(bǔ)充了4#孔。鉆孔中餅狀巖芯發(fā)育與測(cè)試結(jié)果為高應(yīng)力相吻合。③廠區(qū)群英河發(fā)育于下游河流左岸，距廠址約670 m，切割相對(duì)較深，延伸至山頂，總體呈近EW走向。測(cè)點(diǎn)受水洛河及群英河兩面切割，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)巖體應(yīng)力可能有一定的集中，也反映了測(cè)點(diǎn)巖體應(yīng)力較高。④廠區(qū)勘探平洞揭示，在完整巖體中片幫現(xiàn)象明顯。據(jù)打探洞人員反映，施工中局部洞段巖爆現(xiàn)象頻繁。

圖2 應(yīng)力鉆孔布置示意圖

(2)最大主應(yīng)力方向呈NEE向。

從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分析(圖2)，區(qū)內(nèi)主要受NW、NE、SN向三組斷裂控制，其中以NW向?yàn)橹?。廠區(qū)最大主應(yīng)力方向若受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力控制，應(yīng)呈NW向，這與測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力方向NEE向相矛盾，但從局部及區(qū)域構(gòu)造分析:第一，廠址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，主要表現(xiàn)為節(jié)理裂隙，風(fēng)化夾層、小斷層或小型擠壓破碎帶出露幾率較低。調(diào)查和統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，優(yōu)勢(shì)裂隙除層面(產(chǎn)狀為N20°～40°E/SE∠65°～70°)外主要發(fā)育有 4 組:①N30°E/SE∠65°，裂面平直、光滑，延伸 ＞10 m，間距0.3 ～0.5 m，張開(kāi) 1 ～3 cm;②N70°E/NW∠70°，裂面平直、光滑，延伸 ＞10 m，間距 0.2～0.5 m，微張;③N70°W/NE∠89°，裂面平直、較粗糙，延伸 ＞10 m，間距0.5 ～1.5 m，閉合;④ N60°E/SE∠25°，裂面平直、光 滑，延 伸 ＞10 m，間 距0.5～1.5 m，閉合。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，優(yōu)勢(shì)裂隙走向以NE為主，且①優(yōu)勢(shì)裂隙張開(kāi)1～3 cm，②優(yōu)勢(shì)裂隙微張，說(shuō)明NW向巖體應(yīng)力有一定釋放，NE向巖體應(yīng)力高于NW向。第二，從局部地形地貌分析，E65°W向群英河切割相對(duì)較深，實(shí)際已構(gòu)成了近SN向應(yīng)力釋放的臨空面，而近EW向由于巖體完整制約了地應(yīng)力在EW向的卸荷。第三，區(qū)域 N20°～40°E 向里到斷裂(F6)及 N42°E向先鋒斷裂(F9)對(duì)廠區(qū)巖體應(yīng)力方向有一定影響。因此，測(cè)點(diǎn)巖體應(yīng)力方向受區(qū)域構(gòu)造及局部地質(zhì)構(gòu)造共同控制呈NEE向是合理的。

圖3 近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造綱要圖

(3)σ1及 σ3傾角均小于30°，σ2傾角較大，超過(guò)60°，反映了測(cè)點(diǎn)巖體應(yīng)力場(chǎng)近似水平應(yīng)力場(chǎng)。測(cè)點(diǎn)巖體應(yīng)力以自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力為主。

綜上所述，博瓦、新藏水電站測(cè)點(diǎn)巖體應(yīng)力受區(qū)域構(gòu)造及局部地質(zhì)構(gòu)造共同控制。對(duì)于博瓦水電站，廠房軸線選擇應(yīng)考慮最大主應(yīng)力方向及優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面走向，應(yīng)盡量與最大主應(yīng)力方向交角較小，與主要優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面交角較大，這樣才有利于洞室圍巖的穩(wěn)定。新藏水電站廠房軸線選取應(yīng)主要考慮最大主應(yīng)力方向，首先滿足與最大主應(yīng)力方向交角較小(根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，夾角應(yīng)＜30°)，其次考慮優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面及其它因素。

4 廠房洞室開(kāi)挖施工建議

工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，洞室開(kāi)挖過(guò)程中影響圍巖穩(wěn)定性的因素主要有兩個(gè):一是巖體地應(yīng)力，二是結(jié)構(gòu)面不利組合。根據(jù)博瓦、新藏水電站地應(yīng)力及巖體特點(diǎn)，建議廠房洞室開(kāi)挖施工應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)產(chǎn)生應(yīng)力集中過(guò)大對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響。洞室開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力將重新分布，并可能在洞室墻體、頂拱等部位產(chǎn)生較大應(yīng)力集中甚至局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，局部巖體會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力破環(huán)、塑性變形破壞、剪切破壞等，這對(duì)圍巖穩(wěn)定不利，建議設(shè)計(jì)及施工應(yīng)予以重視。

(2)硬質(zhì)大理巖中可能產(chǎn)生的巖爆對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響。依據(jù)新藏水電站廠房區(qū)高應(yīng)力的特點(diǎn)，預(yù)測(cè)在廠房施工洞室段完整巖體中可能發(fā)生輕微～中等巖爆。為減輕巖爆對(duì)施工的影響，建議采取的防治措施如下:

①在可能發(fā)生巖爆的地段，按照“全斷面、短進(jìn)尺、弱爆破”的爆破原則施工。合理選擇爆破參數(shù)，優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，提高光面爆破效果，改善洞壁應(yīng)力條件。

②輕微巖爆段的施工工藝可按正常施工工藝進(jìn)行，其施工工序?yàn)楸坪笙韧L(fēng)，后在距離掌子面以外相對(duì)安全地段對(duì)周邊及掌子面巖面噴水、然后組織噴錨、出渣。

③中等巖爆段的防治主要通過(guò)改變?cè)械氖┕すば蚣笆┕すに?，人為的在掌子面造成相?dāng)深度的破碎帶，并且在開(kāi)挖洞室周邊打一定數(shù)量和合適深度的錨桿空孔，破環(huán)圍巖的整體性，使深層應(yīng)力盡可能外泄，區(qū)域集中的能量盡快分散，達(dá)到控制巖爆的目的。

④對(duì)于巖爆破壞較嚴(yán)重的地段，設(shè)計(jì)與施工應(yīng)密切配合，需要及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)錨桿設(shè)計(jì)方案，增加錨桿密度，同時(shí)配合其它支護(hù)措施，以加強(qiáng)巖爆段初期支護(hù)效果。

(3)軟質(zhì)板巖、片巖中可能出現(xiàn)大變形對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響。

博瓦水電站廠房開(kāi)挖施工中，預(yù)測(cè)在軟質(zhì)板巖、片巖中可能出現(xiàn)大變形，對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定不利。板巖、片巖巖質(zhì)差、強(qiáng)度低，且廠區(qū)地應(yīng)力量值較高，具備發(fā)生大變形的條件。對(duì)可能發(fā)生大變形的洞段，建議采取的防治措施如下:

①施工中做好圍巖監(jiān)控常規(guī)量測(cè)和圍巖大變形的跟蹤監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作。

②開(kāi)挖后先設(shè)置柔性支護(hù)，允許圍巖有一定量的變形，以釋放地應(yīng)力，同時(shí)增加二襯強(qiáng)度，使二襯也能承受部分圍巖壓力。

③采用長(zhǎng)錨桿加固圍巖，這是控制軟巖大變形的重要手段。同時(shí)，配合雙層支護(hù)，達(dá)到既能釋放圍巖壓力，又能合理控制支護(hù)變形的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，博瓦水電站σ1方向呈NNW向，量值屬中等偏高應(yīng)力;新藏水電站σ1方向呈NEE向，量值屬高應(yīng)力。

(2)博瓦水電站廠房軸線的選擇應(yīng)盡量與最大主應(yīng)力方向交角較小，與主要優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面交角較大;新藏水電站廠房軸線的選擇首先應(yīng)滿足與最大主應(yīng)力方向交角較小。

(3)博瓦水電站廠房開(kāi)挖施工中存在部分洞段硬質(zhì)巖體中發(fā)生輕微巖爆及軟質(zhì)巖中可能出現(xiàn)大變形等工程地質(zhì)問(wèn)題;新藏水電站廠房開(kāi)挖施工中，預(yù)測(cè)在埋深較大的完整巖體中可能發(fā)生輕微～中等巖爆。

[1]谷明成，何發(fā)亮，陳成宗.秦嶺隧道巖爆的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(9):1324 ～1327.

[2]姜 云，王蘭生.深埋長(zhǎng)大公路隧道高應(yīng)力巖爆和巖溶涌突水問(wèn)題及對(duì)策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(9):1319～1321.