李鵬飛，吳述彧，周紅喜，陳鴻杰，趙建軍

(1.中國電建集團(tuán) 貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司, 貴州 貴陽 550081;2.華能瀾滄江水電股份有限公司， 云南 昆明 650214；3.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室(成都理工大學(xué)), 四川 成都 610059)

我國水資源豐富，裝機(jī)蘊藏量6.9×108kW是世界首位[1]，西南地區(qū)的金沙江、雅礱江、大渡河、瀾滄江等梯級電站的開發(fā)正在進(jìn)行，目前已建成了二灘、錦屏一級、錦屏二級、官地、向家壩、溪洛渡、小灣、糯扎渡等多個大型水電工程，揭示了一系列的深部裂縫[2]、高地應(yīng)力[3-5]等工程地質(zhì)現(xiàn)象和問題。然而，目前西南地區(qū)水電工程完建和在建工程多集中在四川和云南地帶，在水能資源豐富的西藏地區(qū)完建和在建工程均較少，而西藏恰是我國地質(zhì)條件最為復(fù)雜、地質(zhì)災(zāi)害最為發(fā)育的地區(qū)，筆者在瀾滄江西藏段多年勘察工作顯示，該地區(qū)存在以下幾個特點：河谷多深切狹窄，谷坡陡峻，巖性復(fù)雜多樣，地應(yīng)力高，岸坡淺表巖體破碎松動，穩(wěn)定性較差。受制于狹窄地形，擬建的幾個大型工程發(fā)電廠房均布置于地下，存在高地應(yīng)力問題，經(jīng)過二灘、錦屏一級等工程實踐，在這種地應(yīng)力條件下，圍巖穩(wěn)定問題較東部地區(qū)更為突出，只有在勘察期間進(jìn)行深入工程地質(zhì)分析，提前預(yù)測可能存在的工程地質(zhì)問題，合理的選擇支護(hù)形式及支護(hù)時機(jī)，方能在施工期處理時占據(jù)主動地位。

本文以西藏瀾滄江某大型水電站工程為例，在查明廠房區(qū)工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，深入分析了地下廠房前期勘察中揭示的高地應(yīng)力現(xiàn)象及可能存在的工程地質(zhì)問題，預(yù)測了圍巖的破壞形式，可有效的指導(dǎo)地下廠房工程設(shè)計及施工建設(shè)。

1 擬建工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

擬建水電站位于西藏自治區(qū)芒康縣境內(nèi)，是瀾滄江上游河段唯一的“龍頭”水庫，最大壩高315 m，推薦壩型為礫石土心墻堆石壩，電站裝機(jī)容量2 100 MW(4×525 MW)。

地下洞室布置于中壩址右岸山體內(nèi)，采取地下廠房、主變洞、尾調(diào)室三大洞室平行布置的方式，垂直埋深330 m～585 m。初擬軸線為N45°E。地下廠房由主廠房和副廠房組成，開挖尺寸為210.65 m×25.30 m×72.30 m,主變洞位于主廠房下游側(cè)46 m，開挖尺寸為157.50 m×18.50 m×37.30 m,四機(jī)四洞調(diào)壓井長度約為110 m，井筒斷面尺寸為110 m×15 m。

1.2 地下廠房區(qū)地質(zhì)條件

地下廠房區(qū)揭露地層為三疊系中統(tǒng)竹卡組英安巖，局部為侵入體，侵入體以輝綠巖脈為主，少量為煌斑巖脈。主要侵入體分布見圖1，輝綠巖脈分布共33條，走向以NNW為主，與初擬廠房縱軸線近乎大角度相交，陡傾，寬度多在0.2 m～0.5 m，局部可達(dá)3 m，與英安巖呈硬性接觸，局部見裂隙分布。而煌斑巖脈共分布5條，走向以NEE為主，與初擬廠房軸線小角度相交，陡傾，寬度達(dá)0.3 m～6.0 m。根據(jù)試驗資料，英安巖、輝綠巖飽和抗壓強(qiáng)度在65 MPa～75 MPa，煌斑巖脈強(qiáng)度較差，30 MPa左右。

圖1 廠房區(qū)巖脈展布圖(平切圖高程2 650 m)

廠房區(qū)以Ⅳ級、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面為主，Ⅳ級結(jié)構(gòu)面主要為平硐揭示的小斷層。對地下廠房區(qū)主支勘探平硐進(jìn)行小斷層統(tǒng)計，共發(fā)育小斷層58條，其等密圖如圖2所示，各組小斷層傾角均大于60°，傾向以SW為主，走向上以NNW和NWW為主，其中N40°～90°W/SW∠62°～84°最為集中發(fā)育。Ⅴ級結(jié)構(gòu)面主要為平硐揭露的一般節(jié)理裂隙。四個平硐共揭露一般節(jié)理裂隙4 000余條，這些節(jié)理裂隙多呈閉合狀態(tài)，洞內(nèi)長度一般在0.5 m～10.0 m之間，對其進(jìn)行統(tǒng)計，如圖3所示，該區(qū)域共發(fā)育節(jié)理裂隙四組，其中緩傾角結(jié)構(gòu)面一組，與地表揭示基本一致，N15°～43°E，SE∠12°～28°，連通率在0.12左右，延續(xù)性差，對圍巖穩(wěn)定影響較小。其余三組陡傾角結(jié)構(gòu)面基本上主要以NWW、NEE、SN走向為主。

圖2 地下廠房區(qū)小斷層等密圖

圖3 地下廠房區(qū)平硐節(jié)理等密圖

水文地質(zhì)上，地下廠房全部位于地下水位以下，地下水位高出廠房頂150 m左右，平硐揭示廠房區(qū)地下水活動較弱，局部斷層帶有滴水現(xiàn)象，鉆孔揭示巖體透水率在1.0 Lu左右，屬弱～微透水巖體。據(jù)平硐洞口實測主支勘探平硐洞口出水約3 L/s。

RMR及水電工程HC圍巖分類顯示，因裂隙發(fā)育，廠房區(qū)總體為Ⅲ1類，少量Ⅱ類，煌斑巖脈處為Ⅳ類，洞室整體穩(wěn)定性較好。

2 地應(yīng)力特征及影響分析

2.1 地應(yīng)力特征

(1) 勘探工程揭示的地應(yīng)力現(xiàn)象及分析。壩址右岸廠房勘探平硐PDZ06平硐大體上與岸坡垂直(NNE向布置)，并以N45°E分別布置了三個支洞，以了解主廠房等三大洞室工程地質(zhì)條件，這些勘探平硐揭示，地下廠房區(qū)總體處于微新英安巖內(nèi)，地下水活動較弱，巖體多呈鑲嵌狀結(jié)構(gòu)，但更為重要的是在勘探平硐深部揭示了一些高地應(yīng)力的典型現(xiàn)象，如巖體剝落和頂拱片幫等。

圖4表示了中壩址右岸PDZ06平洞190 m左右出現(xiàn)的頂拱片幫現(xiàn)象，片幫破壞坑深度超過30 cm，破壞巖體呈薄板狀，破壞坑頂部中間線清晰可見，兩側(cè)板狀面傾向相反，破壞程度強(qiáng)于錦屏一級廠房平硐，但弱于白鶴灘右岸廠房平硐強(qiáng)片幫位置。總體而言，破壞坑形態(tài)特征揭示了平硐橫斷面上最大、最小主應(yīng)力比值相對較高的特征，其比值應(yīng)在2.0以上。

同時，在廠房平硐NEE向支洞PDZ06-1內(nèi)，可見到右側(cè)邊墻巖體發(fā)生了明顯的剝離現(xiàn)象，如圖5所示，呈現(xiàn)明顯的弧形破壞，破壞的深度在3 cm～5 cm之間，洞內(nèi)可見高度2 m左右，據(jù)筆者仔細(xì)觀察，這些破壞不是沿已有裂隙產(chǎn)生的破壞，應(yīng)是應(yīng)力調(diào)整引起的破損。

圖4 中壩址右岸PDZ06內(nèi)頂拱片幫現(xiàn)象(面向洞底)

(a) 遠(yuǎn)觀圖 (b) 近觀圖

此外，在PDZ06-2平硐230 m～238 m見煌斑巖脈分布，自右壁延伸至掌子面，洞內(nèi)長約8 m，右壁最寬約3 m，頂拱部位寬約1.5 m，可見疑似地應(yīng)力造成的薄片狀及彎曲現(xiàn)象，如圖6所示，且頂拱部位已見大量垮塌，堆積于平硐底部?？赡艿脑蚴且换桶邘r脈巖石強(qiáng)度低，完整性差，自穩(wěn)能力較差，產(chǎn)生垮塌；二是開挖卸荷引起應(yīng)力調(diào)整，受高地應(yīng)力作用產(chǎn)生較大變形，進(jìn)而垮塌。筆者認(rèn)為后者是煌斑巖脈在洞內(nèi)垮塌的主要原因。

圖6 煌斑巖脈彎曲變形

(2) 地應(yīng)力測試成果分析。地下廠房勘探工程完成以前，工程區(qū)內(nèi)已進(jìn)行了一些地應(yīng)力測試試驗，揭示了地下廠房區(qū)可能存在高地應(yīng)力，為此在地下廠房勘探平硐完成后，為直觀的了解地下廠房區(qū)地應(yīng)力量級及大小，在平硐內(nèi)進(jìn)行了地應(yīng)力測試四組，其中孔徑變形法2組，鉆孔水壓致裂法2組。

孔徑變形法試驗成果分別如表1所示，最大主應(yīng)力為25.4 MPa～28.3 MPa，中間主應(yīng)力為17.1 MPa～18.3 MPa，最小主應(yīng)力8.0 MPa～9.6 MPa，最大主應(yīng)力方向為N16°～31°E，揭示了地下廠房區(qū)總體存在高地應(yīng)力問題。

表1 平硐PDZ06、PDZ06-1內(nèi)孔徑變形法地應(yīng)力測試成果

水壓致裂法測點主要布置在主廠房及調(diào)壓井部位，自平硐內(nèi)2 651 m高程鉆進(jìn)，實測地應(yīng)力成果如圖7所示。

將地下廠房區(qū)各測試點標(biāo)識于圖上，如圖8所示。根據(jù)地應(yīng)力測試成果，廠房區(qū)最大主應(yīng)力量值在23 MPa～28 MPa, 最大主應(yīng)力方向在N16°～42°E，集中于N26.7°～34.7°E之間，為方便進(jìn)行設(shè)計及利于后續(xù)的地下廠房縱軸線擬定，綜合確定廠房區(qū)最大主應(yīng)力方向為N30°E。

圖7 廠房區(qū)實測地應(yīng)力值統(tǒng)計分析

2.2 高地應(yīng)力對地下廠房區(qū)工程影響對比研究

地下洞室開挖之前，本身處于一個相對平衡的狀態(tài)，受開挖擾動后，造成應(yīng)力重新分布，可能會引發(fā)變形，甚至是破壞，局部可能產(chǎn)生巖爆、大規(guī)模片幫等現(xiàn)象[6]，考慮到本工程地下洞室群規(guī)模巨大，大斷面、高邊墻的特點，有必要對開挖后，高地應(yīng)力可能產(chǎn)生的工程影響進(jìn)行研究。

圖8 地下廠房區(qū)勘探平硐布置及地應(yīng)力測點、最大主應(yīng)力方向及大小分布圖

對國內(nèi)已建深埋地下洞室揭示的高地應(yīng)力現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)，如表2所示，雅礱江錦屏一級、官地、二灘、金沙江白鶴灘水電站、猴子巖、瀑布溝等地下廠房工程地質(zhì)條件基本與本工程相似，總結(jié)以下幾個工程特點，其在施工期的圍巖穩(wěn)定方面均有以下幾點共識：

(1) 施工期出現(xiàn)片幫及剝落掉塊，導(dǎo)致噴層脫開，幾乎成為了高地應(yīng)力區(qū)地下廠房的主要問題。

(2) 圍巖的變形主要集中在高邊墻部位，變形量可達(dá)50 mm～130 mm，邊墻松弛的深度可以達(dá)到10 m左右，其中主廠房因為開挖較高，其變形及松弛的范圍最強(qiáng)。

(3) 地下廠房的變形，基本上以應(yīng)力變形為主，結(jié)構(gòu)面對其有一定的促進(jìn)作用，往往在有小斷層的部位，變形更顯著。

(4) 強(qiáng)度應(yīng)力比小于4時，地應(yīng)力引起的變形也更顯著。

考慮到本工程地下廠房條件，與表2所列的官地、猴子巖、錦屏一級地下廠房地應(yīng)力條件更為相似，認(rèn)為在本工程地下廠房開挖時，高地應(yīng)力引起的圍巖穩(wěn)定問題需重點關(guān)注，地下廠房圍巖破壞類型主要以片幫、剝落掉塊、彎折內(nèi)鼓為主，高邊墻的變形量應(yīng)在100 mm左右，圍巖松弛的深度可能在10 m左右，尤其需重視洞室交叉部位的圍巖穩(wěn)定問題，及薄弱巖脈和性狀小斷層對變形的促進(jìn)作用。且考慮到地應(yīng)力引起的變形可能具有一定的滯后性，應(yīng)研究合適的支護(hù)時機(jī)和支護(hù)型式。此外考慮到地下洞室群之間有煌斑巖脈分布，其性狀較差，在施工過程中應(yīng)特別注意加強(qiáng)巖柱部位支護(hù)處理。

表2 高地應(yīng)力條件下廠房施工期變形特征

3 地下廠房圍巖穩(wěn)定預(yù)測研究

采用數(shù)值分析方法對三大洞室圍巖穩(wěn)定性條件開展綜合評估是有效手段[7-15]，模型構(gòu)建考慮初始應(yīng)力場及巖脈、小斷層的影響。模型尺寸為360 m×340 m×290 m，計算參數(shù)如表3—表5所示，對于輝綠巖脈，暫時保守選取和小斷層一致的參數(shù)，這一處理方式傾向于對圍巖穩(wěn)定性性質(zhì)的保守估計。計算本構(gòu)采取Hoek-Brown準(zhǔn)則，地應(yīng)力采用實測地應(yīng)力，最大主應(yīng)力方向N30°E。主要分10步開挖，開挖分步如圖9所示。

表3 英安巖Hoek-Brown參數(shù)(峰值/殘余)

表4 煌斑巖參數(shù)表

表5 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)表

圖9 開挖步驟圖

以主廠房為代表進(jìn)行闡述，其開挖后應(yīng)力調(diào)整如圖10所示，可以看出以下特點：

(1) 主廠房圍巖應(yīng)力集中部位主要分布在兩側(cè)拱肩、機(jī)隔墩及其洞室結(jié)構(gòu)形態(tài)突變部位，其中以底部一帶的影響范圍相對更大一些，應(yīng)力水平可達(dá)到60 MPa左右，可能形成低—中等程度的應(yīng)力型破壞。

(2) 在廠房開挖完成以后，高邊墻一帶開挖應(yīng)力響應(yīng)方式總體以松弛為主。在廠房分步開挖過程中，位于分層開挖底部拱腳一帶的圍巖，會經(jīng)歷應(yīng)力集中，形成先集中、再松弛的復(fù)雜變化過程。

(3) 小范圍中等程度的圍巖高應(yīng)力破壞往往表現(xiàn)為表層巖體的開裂，形成板狀或片狀破壞現(xiàn)象，并隨時間擴(kuò)展而可能出現(xiàn)剝落。這種破壞不足以對工程施工安全造成影響。

(4) 主廠房圍巖應(yīng)力總體維持頂拱、建筑結(jié)構(gòu)拐角等部位應(yīng)力集中，高邊墻應(yīng)力松弛顯著的工程特點，這與白鶴灘、錦屏等工程基本是一致的。

圍巖變形方面，主廠房開挖變形如圖11所示，各工程部位的變形情況匯總?cè)绫?所示，頂拱變形量5 mm～40 mm，高邊墻的變形量較頂拱突出，其中小斷層和煌斑巖脈部位更為突出，最大可達(dá)250 mm。施工過程中應(yīng)做好邊墻變形控制措施。

圖10 考慮斷層、巖脈條件下，主廠房圍巖最大主應(yīng)力分布特征

圖11 考慮小斷層、巖脈分布條件下，主廠房兩側(cè)邊墻圍巖變形整體分布特征

4 結(jié) 論

(1) 在詳細(xì)地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，查明了電站地下廠房區(qū)基本地質(zhì)條件，其最大主應(yīng)力大于20 MPa，屬高地應(yīng)力。

表6 三大洞室圍巖變形穩(wěn)定性計算成果匯總表

(2) 采用工程地質(zhì)類比法，分析了高地應(yīng)力對地下廠房的工程影響，認(rèn)為片幫剝落可能是開挖期主要的問題，局部的變形量可能在100 mm以上。

(3) 進(jìn)行了數(shù)值計算分析，預(yù)測了廠房開挖后應(yīng)力重分布特征及變形情況，認(rèn)為圍巖應(yīng)力總體維持頂拱、建筑結(jié)構(gòu)拐角等部位應(yīng)力集中，高邊墻應(yīng)力松弛顯著的工程特點，這與白鶴灘、錦屏等工程基本是一致的；頂拱變形量5 mm～40 mm，高邊墻的變形量較頂拱突出，其中小斷層和煌斑巖脈部位更為突出，最大可達(dá)250 mm。施工過程中應(yīng)做好邊墻變形控制措施。