田　嬌　朱金波

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽　550081)

層間剪切帶對(duì)某水電站導(dǎo)流洞圍巖穩(wěn)定性的影響

田嬌朱金波

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，分析了某水電站層間剪切帶特性，總結(jié)了其對(duì)導(dǎo)流洞穩(wěn)定性的影響規(guī)律。通過數(shù)值計(jì)算，分析了層間剪切帶對(duì)左岸中導(dǎo)洞及導(dǎo)流洞的影響，以及對(duì)右岸塊體穩(wěn)定性的影響，為確定該水電站導(dǎo)流洞的合適支護(hù)方案提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞層間剪切帶導(dǎo)流洞圍巖穩(wěn)定性

迄今為止，層間剪切帶作為一種特殊的軟弱結(jié)構(gòu)面，直接威脅壩基、邊坡、洞室圍巖的穩(wěn)定性，對(duì)工程建設(shè)的危害早已引起人們的廣泛關(guān)注。特別是在水利水電工程中，因?yàn)閷娱g剪切帶發(fā)育而使工程被迫停工、延長(zhǎng)施工周期、變更原設(shè)計(jì)方案，以及后期加固而追加投資等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，甚至誘發(fā)工程失事的案例也不勝枚舉[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國外不少工程由于層間剪切帶的危害導(dǎo)致發(fā)生了數(shù)十起垮壩事件，我國已建成和設(shè)計(jì)的90余座大壩中，由于層間剪切帶問題而改變?cè)O(shè)計(jì)、降低壩高或后期加固的有30余座。因此，深人研究層間剪切帶的工程性狀與工程災(zāi)害問題，對(duì)于工程(特別是水電工程)的安全運(yùn)營(yíng)具有重大意義。 我國對(duì)層間剪切帶(有人也稱軟弱夾層)的研究工作最早可追溯到上世紀(jì)50年代，之后，在壩基、隧道、礦山邊坡等工程中都遇到過層間剪切帶間題，從而引起廣泛的注意和重視，其中以水電部門工作最多研究也較深人[2]。目前，關(guān)于層間剪切帶的研究已從單純的描述試驗(yàn)進(jìn)入多學(xué)科、多途徑、多手段的綜合研究[3-5]。本文以某水電站為例，以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及數(shù)值計(jì)算為手段分析層間剪切帶對(duì)該水電站導(dǎo)流洞圍巖穩(wěn)定性的影響。

1某水電站層間剪切帶特性

普遍發(fā)育的層間和層內(nèi)剪切帶是工程中普遍關(guān)心的地質(zhì)缺陷，根據(jù)對(duì)某水電站平洞內(nèi)一些現(xiàn)象的觀察，認(rèn)識(shí)到層間和層內(nèi)剪切帶的軟弱特性控制著變形和破壞，即層間剪切帶普遍存在厚度不等、性質(zhì)差別的軟弱充填現(xiàn)象，該現(xiàn)象決定了這些剪切帶的軟弱特性和潛在工程影響。最突出的是對(duì)左岸邊坡變形和穩(wěn)定，其次是在大型洞室的頂拱。此外，局部應(yīng)力異常將導(dǎo)致應(yīng)力型破壞，平洞中的片幫除與巖性和埋深存在聯(lián)系以外，還與層間剪切帶之間存在一定的空間關(guān)系，剪切帶局部地應(yīng)力異常的工程影響不僅體現(xiàn)在地下工程頂拱一帶，在大壩壩基開挖過程中，其潛在影響范圍和程度也是需要關(guān)注的問題之一。

剪切帶在頂拱出露時(shí)是否一定造成破壞和潛在破壞范圍等受到幾個(gè)方面因素的影響，如剪切帶規(guī)律和性狀、兩側(cè)巖體完整條件、洞室跨度等。由于該水電站絕大多數(shù)的剪切帶為性狀相對(duì)較好的層內(nèi)構(gòu)造，因此，在很多情況下，剪切帶并不一定導(dǎo)致頂拱穩(wěn)定問題。中導(dǎo)洞開挖揭示了大量的小規(guī)模層內(nèi)剪切帶，并不是都導(dǎo)致了頂拱破壞，如圖1所示，小規(guī)模和性狀良好的剪切帶在頂拱出露時(shí)依然保持良好穩(wěn)定性。但是，在另一方面，當(dāng)性狀相對(duì)較差、且延伸長(zhǎng)度較大的剪切帶在頂拱被揭露時(shí)，圍巖即具備發(fā)生局部坍塌破壞的基本條件，甚至是現(xiàn)實(shí)中幾乎不可避免的工程現(xiàn)象。一般而言，工程中沒有必要采取措施避免這種局部破壞現(xiàn)象的產(chǎn)生，而是確定一個(gè)工程可以接受的破壞范圍(如破壞厚度)，作為支護(hù)設(shè)計(jì)的前提條件。比如，如果允許軟弱層間剪切帶和開挖輪廓線之間2m范圍出現(xiàn)垮塌(施工清除危巖范圍)，則支護(hù)設(shè)計(jì)針對(duì)2m以外、自穩(wěn)條件可能明顯不同的圍巖。圖2表示了性質(zhì)軟弱、厚度較大的層間剪切帶(C2)在中導(dǎo)洞邊墻出露的情形，緩傾的層間剪切帶在邊墻并不具備良好的臨空條件，因此可以保持相對(duì)良好的穩(wěn)定性。

圖1硬質(zhì)剪切帶不對(duì)頂拱穩(wěn)定造成明顯影響的實(shí)例

圖2　軟弱層間剪切帶在2號(hào)中導(dǎo)洞邊墻揭露情況

在地下工程掘進(jìn)過程中，剪切帶軟弱特性導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生變形或破壞之前有可能先經(jīng)歷一個(gè)潛在應(yīng)力型破壞過程，潛在破壞是否變成現(xiàn)實(shí)問題取決于幾個(gè)方面的條件：①應(yīng)力水平是否相對(duì)較高，足以導(dǎo)致巖體的破壞；②巖體特性是否滿足應(yīng)力型破壞條件，如具有脆性特性且強(qiáng)度(應(yīng)力水平)不是很高。也就是說，即便現(xiàn)實(shí)中剪切帶周邊存在一個(gè)傾向于導(dǎo)致應(yīng)力型破壞的地應(yīng)力異常帶，但并不意味這個(gè)異常帶一定導(dǎo)致應(yīng)力型破壞現(xiàn)象。比如，左岸導(dǎo)流洞C2所在部位埋深顯著大于C3，在隧洞掘進(jìn)過程中，C2附近出現(xiàn)了應(yīng)力型破壞，而C3周邊沒有觀察到這種破壞的跡象。即便在埋深較大的部位如左岸地下廠房，如果剪切帶出露在洞室邊墻一帶時(shí)，地下工程開挖以后邊墻不出現(xiàn)二次應(yīng)力集中現(xiàn)象，且垂直向?yàn)橹?、水平相?duì)不高的主應(yīng)力起到壓縮剪切帶的作用，此時(shí)也不具備導(dǎo)致高應(yīng)力破壞的條件，使得剪切帶在邊墻出露時(shí)的松弛型塊體破壞(臨空條件控制)和應(yīng)力型破壞均不如在頂拱時(shí)明顯。在應(yīng)力條件相對(duì)易于導(dǎo)致圍巖應(yīng)力型破壞的條件下，圍巖是否出現(xiàn)應(yīng)力型破壞還與巖體結(jié)構(gòu)條件決定的力學(xué)特性密切相關(guān)。鑒于該水電站兩岸地下工程主要處于水平應(yīng)力為主的條件下，頂拱應(yīng)力集中是最容易導(dǎo)致應(yīng)力型破壞的應(yīng)力條件。 但是，如果巖體脆性特征相對(duì)不突出(如角礫熔巖)、或者與圍巖中最大主應(yīng)力近于垂直的陡傾節(jié)理(如柱狀節(jié)理玄武巖)相對(duì)發(fā)育時(shí)，高應(yīng)力的作用很可能是導(dǎo)致巖體相對(duì)均勻地變形、而不是應(yīng)力型破壞，或者說，應(yīng)力型破壞程度會(huì)相對(duì)減弱一些、但變形程度往往更大。

前面已經(jīng)敘述了針對(duì)頂拱應(yīng)力型破壞的支護(hù)和施工技術(shù)要求，不過，解決這類問題的最優(yōu)辦法不是支護(hù)，首選應(yīng)是優(yōu)化開挖布置，如圖3所示，通過優(yōu)化施工支洞布置，使得主洞掌子面從剪切帶上盤向著掌子面方向的掘進(jìn)方式可望有效地減緩潛在應(yīng)力型破壞的嚴(yán)重程度和施工技術(shù)難度。

圖3　掘進(jìn)方向?qū)鷰r穩(wěn)定性影響示意圖

2層間帶C2對(duì)左岸中導(dǎo)洞及導(dǎo)流洞的影響

軟弱層間帶對(duì)頂拱圍巖穩(wěn)定影響程度除受到剪切帶規(guī)模和性狀的影響以外，還與開挖跨度密切相關(guān)。導(dǎo)流洞開挖尺寸(跨度×高度=20m×24.5m)比中導(dǎo)洞(跨度×高度=8.5m×7m)明顯增大，顯然成了設(shè)計(jì)工作需要考慮的問題之一。由圖4和圖5可見，洞室規(guī)模導(dǎo)致C2部位變形和應(yīng)力集中的差異：①導(dǎo)流洞全斷面開挖后，變形量級(jí)總體增大，但邊墻仍然相對(duì)錯(cuò)動(dòng)變形小于20mm，穩(wěn)定性良好；頂拱局部大變形范圍明顯增大，結(jié)構(gòu)面輔助切割可能形成危巖體，必要時(shí)考慮清除；②導(dǎo)流洞全斷面開挖后，C2下方高應(yīng)力集中范圍和程度都明顯增大。由于頂拱C2下方大變形實(shí)際上經(jīng)歷了高應(yīng)力破壞過程，因此，局部大變形區(qū)域的增大和應(yīng)力集中范圍的增大，這一特征指示該部位的局部高應(yīng)力破裂風(fēng)險(xiǎn)增大；③高應(yīng)力破裂問題都存在時(shí)間效應(yīng)，因此必須強(qiáng)調(diào)支護(hù)及時(shí)性和系統(tǒng)性。

圖4左岸C2部位中導(dǎo)洞圖5左岸C2部位中導(dǎo)洞

(上)和導(dǎo)流洞(下)(上)和導(dǎo)流洞(下)開挖

開挖變形對(duì)比圖頂拱應(yīng)力集中對(duì)比圖

3層間帶C2對(duì)右岸塊體穩(wěn)定性的影響

通常地，軟弱層間帶在頂拱出露時(shí)是否一定造成破壞和潛在破壞性質(zhì)與范圍等受到幾個(gè)方面因素的影響，如剪切帶規(guī)律和性狀、兩側(cè)巖體完整條件、初始地應(yīng)力條件、洞室跨度等。與左岸1號(hào)導(dǎo)流洞C2基本條件不同地，右岸5號(hào)導(dǎo)流洞埋深(僅100～130m)明顯小于左岸，由于應(yīng)力水平相對(duì)較低，不足以導(dǎo)致明顯的應(yīng)力型破壞，因此在在隧洞掘進(jìn)過程中C2周邊沒有觀察高應(yīng)力破壞跡象。當(dāng)性狀相對(duì)較差、且延伸長(zhǎng)度較大的剪切帶在頂拱被揭露時(shí)，即具備發(fā)生局部坍塌破壞的基本條件，甚至是現(xiàn)實(shí)中幾乎不可避免的工程現(xiàn)象。但這種破壞可以區(qū)別為中高應(yīng)力條件下的應(yīng)力型坍塌和中低應(yīng)力條件下結(jié)構(gòu)面控制的重力型塊體破壞。初步判斷，右岸5號(hào)導(dǎo)流洞出口段C2部位不出現(xiàn)應(yīng)力型破壞，但可能存在結(jié)構(gòu)面組合下的塊體穩(wěn)定問題。圖6表示右岸5號(hào)導(dǎo)流洞出口段C2部位定位結(jié)構(gòu)面的切割關(guān)系。

圖6　右岸5號(hào)導(dǎo)流洞出口段C2部位

由圖6可見，定位的層內(nèi)帶、小斷層并未形成具備獨(dú)立邊界條件的塊體。因此，對(duì)于潛在的塊體穩(wěn)定問題還取決于次級(jí)結(jié)構(gòu)面的輔助切割作用，其包括層面、NW優(yōu)勢(shì)節(jié)理組和NE優(yōu)勢(shì)節(jié)理組。由于埋深較小的河谷近岸坡部位，初始應(yīng)力條件受河谷改造作用明顯，在缺乏近區(qū)域地應(yīng)力測(cè)量資料的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)研究工作采用了假設(shè)自重應(yīng)力條件和河谷應(yīng)力條件2種計(jì)算分析。前者最不利于頂拱穩(wěn)定，而后者不利于邊墻穩(wěn)定。從而，可以從相對(duì)極端的假設(shè)條件下，分析最不利條件下的圍巖穩(wěn)定特征，成為設(shè)計(jì)工作的依據(jù)。

圖7表示，自重應(yīng)力條件下，頂拱C2下方巖體較大范圍變形量較大，特別是次級(jí)結(jié)構(gòu)面的輔助切割作用下，使得大變形區(qū)域明顯增大。

圖7　假設(shè)重力條件下，不考慮(左)和考慮(右)

圖8表示河谷應(yīng)力條件下的變形分布特征。由于考慮了水平向應(yīng)力的增大，使得邊墻變形整體增大，但受C2和層內(nèi)帶影響的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)變形量級(jí)仍然較小，受結(jié)構(gòu)面影響的邊墻穩(wěn)定性良好。另一方面，考慮初始應(yīng)力條件對(duì)于頂拱穩(wěn)定顯然是有利的，即使是C2下方的大變形范圍和變形量級(jí)也有明顯減小。

圖8　河谷應(yīng)力條件下，不考慮(左)和考慮(右)

4結(jié)論

層間剪切帶軟弱特性導(dǎo)致的變形和破壞與剪切帶的臨空條件直接相關(guān)，其對(duì)工程潛在的影響為：①對(duì)頂拱圍巖穩(wěn)定的影響大于邊墻，這一特點(diǎn)不僅通過數(shù)值計(jì)算得以論證，而且在中導(dǎo)洞開挖中得到了揭示；②對(duì)頂拱圍巖穩(wěn)定影響程度除受到剪切帶規(guī)模和性狀的影響以外，還與開挖跨度密切相關(guān)，這也是設(shè)計(jì)工作需要研究的問題之一。導(dǎo)流洞全斷面開挖后，局部高應(yīng)力破裂風(fēng)險(xiǎn)增大，必須強(qiáng)調(diào)支護(hù)及時(shí)性和系統(tǒng)性。

參考文獻(xiàn)

[1]閆長(zhǎng)斌.含層間剪切帶復(fù)合巖體失穩(wěn)機(jī)制的突變理論分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，44(10):4218-4286.

[2]王世梅.我國層間剪切帶工程地質(zhì)研究現(xiàn)狀及展望[J].災(zāi)害與防治工程，1996(1):6-10.

[3]孫萬和.葛洲壩壩基層間剪切帶的模擬研究[J].武漢水利電力學(xué)院學(xué)報(bào)，1991，24(5):495-502.

[4]吳琦等.萬家寨水利樞紐區(qū)層間剪切帶工程地質(zhì)特征[J].人民黃河，2006，28(11):46-47.

[5]王頌.銀盤水電站層間剪切帶工程特性與試驗(yàn)研究[J].人民長(zhǎng)江，2008(4):18-21.

收稿日期：2014-10-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.037