瀾滄江某水電站地下廠房圍巖穩定性分析

張永輝，王永彬，郭 松

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 10024）

本文所述水電站位于瀾滄江上游河段，以發電為主，兼有旅游、改善流域環境、促進地區社會經濟與環境協調發展等作用。工程等別為大 （2）型二等工程，大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高107 m，樞紐布置方案為 “碾壓混凝土重力壩+壩身孔口泄洪+左岸地下廠房”。大壩、泄水、電站廠房等永久性建筑物為2級建筑物。水庫正常蓄水位1 477 m，相應庫容2.93億m3，裝機容量920 MW。地下廠房頂拱設計高程1 438.30 m，開挖尺寸204.0 m×26.4 m×67.0 m（長×寬×高），外邊墻距邊坡水平距離為180～200 m。

1 地下廠房基本地質條件

1.1 地形條件

地下廠房布置于左岸山體內，左岸山體雄厚，山頂高程大于1 800 m，地表地形陡峻，無較大深切沖溝發育。廠房頂部最大埋深380 m，上部微新巖體厚度為200～300 m，屬于深埋隧洞。

1.2 地層巖性

廠房區基巖巖性為白堊系下統景星組下段的灰白色、灰綠色石英砂巖與紫紅色、灰綠色絹云母板巖不等厚互層， 巖層產狀NE3°NW∠75°～85°， 陡傾下游偏岸外，以微風化～新鮮巖體為主，較完整。石英砂巖單軸飽和抗壓強度較高，一般達80～120 MPa，屬堅硬巖石；板巖單軸飽和抗壓強度較低，一般為20～60 MPa，屬于較軟～中等堅硬巖石。圍巖巖性整體上以板巖為主，約占60%。砂巖最大單層厚度20 m，板巖一般小于10 m。片理產狀與原始巖層產狀近一致，較為穩定。

1.3 地質構造

廠房區未見規模較大的Ⅱ級以上結構面發育，Ⅲ級結構面發育較少，Ⅳ、Ⅴ級結構面發育較普遍。結構面裂隙主要發育有3組：①NE0°～20°NW∠83°層面裂隙，其優勢產狀為 NE10°NW∠83°；②NW270°～290°NE （SW） ∠70°～90°垂直層理， 為陡傾角結構面，屬硬性結構面，延伸短，不太發育，裂隙多為巖屑型充填，少量有夾泥現象，其優勢產狀為 NW280°SW∠80°； ③NE3°～20°SE∠10°～25°緩傾角裂隙，多張開，為硬性結構面，無充填。其中，①組占裂隙總數的78%，②組占裂隙總數的16%。兩組裂隙均為陡傾角，以略傾下游為主。勘探平硐揭露的裂隙面張開度以閉合為主，無充填，結合好。張開或微張的裂隙面多充填巖屑，結合差。裂隙面以起伏光滑或平直粗糙、平直光滑為主要特征。

1.4 巖體風化

根據地下廠房勘探平硐物探測試成果，圍巖聲波平均波速為4 000 m/s，巖體平均完整性系數KV=0.62。地下廠房圍巖總體上較完整，未發現有大規模不利于廠房穩定的結構面組合，圍巖以微風化～新鮮巖體為主，局部裂隙發育地段或受構造影響巖體表現為弱風化、強風化狀。

1.5 地下水

左岸地下水位高程為1 460～1 510 m，地下廠房頂拱位于地下水位以下50～80 m。勘探平硐揭露，有多處滴水—滲水現象。出水裂隙方位統計顯示，出水裂隙大多為與巖層產狀基本一致的陡傾裂隙。

根據壩址區鉆孔壓水試驗成果，微風化、微新巖體多屬弱—微透水帶。因此，洞室開挖后不會產生大流量的集中涌水現象，僅在局部張裂隙發育段或斷層破碎帶有點滴狀地下水或線狀流水出露。

1.6 地應力

地下廠區最大水平主應力值為6.0～18.0 MPa，最小水平主應力值為4.0～10.0 MPa。可見，地應力對地下洞室圍巖穩定危害不大。實測最大水平主應力優勢方向為NE12°～19°，表明工程區現今構造應力狀態以接近S～N向擠壓為主。根據地應力實測值，結合巖石力學指標，定性、定量分析圍巖發生巖爆的可能性較小。

2 地下廠房圍巖穩定性分析

2.1 地質因素分析

影響圍巖穩定性的地質因素主要包括巖質特性、地質構造、地下水和巖體應力4個方面。

從工程區地下廠房洞室圍巖的單軸飽和抗壓強度指標看，石英砂巖屬堅硬巖，板巖屬于中等堅硬—較軟巖，砂巖段具有一定的強度和厚度，對圍巖穩定有利。板巖段因層薄，強度較低，對圍巖的穩定不利。

該工程廠房區結構面以Ⅳ、Ⅴ級為主，Ⅲ級以上結構面發育較少。Ⅲ級結構面對圍巖的影響僅限于結構面兩側數米的范圍內；Ⅳ、Ⅴ級結構面根據其發育頻度的不同，主要對圍巖的結構類型有一定影響。對于砂巖、板巖互層出露圍巖來說，結構面對廠房軸線選擇最重要，優勢結構面與廠房軸線夾角越大，對廠房地下洞室圍巖的穩定越有利。根據廠房探洞裂隙統計分析，廠房區發育裂隙的優勢方向為 NW350°～NE20°（平均值取 NE10°）， 廠房軸線方向為NW315°，結構面走向與廠房軸線的夾角為45°～65°（平均值為55°），呈大角度相交，對圍巖穩定有利。

本工程地下廠房區地下水不豐富，多以點滴狀滲水或線狀流水為主，大規模突水、涌水的可能性較小，對圍巖的整體穩定性影響不大。另外，砂巖的水敏性弱，結構面多為剛性結構面，地下水對其影響不大；板巖水敏性較強，結構面遇水易軟化、泥化，強度急劇降低。因此，地下水對板巖段圍巖影響較大。

廠房軸線方向為NW315°，實測最大水平主應力優勢方向按照 NE12°～19°考慮 （平均值取 NE16°），廠房軸線與最大主應力夾角為57°～64°（平均值為61°），不利于地下洞室的圍巖穩定。但工程區地應力值屬于中等，對廠房軸線的選擇不起控制作用。

2.2 三維有限元分析

（1）初始應力場分析。可將三維初始地應力場看作是由自重應力場和各種構造場的組合，基于實測點地應力值用逐步回歸分析方法求出回歸系數，從而得到廠區巖體初始地應力場。從地應力回歸成果看，實測值與回歸值擬合性較好。該水電站廠區初始地應力場決非僅由自重應力場引起，而構造應力場主要由廠區主廠房軸線方向和垂直于主廠房軸線方向的構造應力產生，該區域巖體處于中等級的初始地應力中。

（2）洞室開挖后圍巖應力場特征。根據模擬施工開挖過程，獲得最終洞室施工完成后的盈利計算成果，毛洞工況下開挖完工后主廠房拱頂最大環向壓應力為-18.96 MPa（發生在2號機組剖面），主廠房拱腳最大環向壓應力為-22.40 MPa（發生在2號機組剖面上游拱腳），主廠房側墻最大環向壓應力為-14.06 MPa（發生在3號機組剖面上游側墻）。在錨桿及噴混凝土的共同作用下，各洞室上、下游拱腳處以及洞室開挖的凹角處應力集中有所減緩，主要是由于加錨后約束了洞周的變形，從而減少了圍巖的應力集中程度。各洞室圍巖應力分布規律相近，均以壓應力為主，拉應力出現在局部區域，但拉應力值未超過巖體的抗拉強度。在各洞室的拱腳處以及洞室側墻墻角處，應力集中較為明顯，但其壓應力值都小于圍巖的抗壓強度。

（3）塑性區變化特征。開挖完工后，主廠房塑性區主要集中在上游側墻中下部以及與進水洞交匯區域、下游側墻中部以及母線洞與尾水洞之間的巖柱。主廠房上游側墻與進水洞交匯區域以及尾調室上游側墻中部區域塑性區范圍相對較大，而在洞室頂拱區域塑性區相對較少。

（4）洞室開挖后圍巖變形特征。主廠房圍巖總體朝開挖臨空面方向變形，各洞周變形符合規律；主廠房由于開挖深度較大以及拱的約束作用，側墻位移大于拱頂位移；主廠房拱頂最大沉降為1.76 cm（發生在1號機組剖面），主廠房側墻最大徑向位移為4.42cm。1號機組拱頂沉降相對較大，主要是此處的裂隙密集帶影響所致。

2.3 圍巖塊體穩定性分析

地下廠房不存在規模較大的斷層。即，不存在由Ⅲ級以上結構面組成的塊體。巖體結構面以Ⅳ級為主，層間結構面最為發育，延伸長，陡傾角；其次為垂直層面的一組，陡傾角；第三為緩傾角裂隙。裂隙面多屬硬性結構面，一般無充填，少量為巖屑、泥質充填。根據廠房軸線與結構面的關系以及對結構面之間的組合分析，對于頂拱而言，三組裂隙隨機組合成不穩定的矩形體或楔形體，層面及垂直層面的裂隙構成了側裂面，緩傾角裂隙構成了不穩定塊體的頂面和底面，但體積一般較小。兩端墻板巖集中發育地帶，由于廠房開挖形成臨空面，易向臨空面產生變形以致于折斷，影響圍巖的穩定。邊墻部位受層面、垂直層面及緩傾角裂隙的切割形成向洞內滑動的不穩定塊體，局部的這種組合的趨勢分布范圍較廣，位置一般不太容易確定。

洞室整體和單機組段的變形、應力分布和塑性區分析結果表明，地下洞室整體上是穩定的。局部穩定性較差地段需采取一定的施工處理，如在裂隙密集帶做灌漿處理，在塑性區采取布設較大預應力錨桿、錨索或加密錨桿和增加錨桿長度等措施，從而保證圍巖的穩定性。

3 結論

（1）根據巖性組合特征、結構面發育特點及地應力特征，主廠房軸線位置區工程地質條件較好。

（2）對圍巖影響較大的地質因素主要為圍巖的巖性、結構面的規模及性狀、地下水和巖體應力水平等。

（3）實測地應力成果及三維應力場回歸分析表明，廠房區地應力中等，對圍巖穩定影響不大。洞室開挖后，圍巖應力以壓應力為主，拉應力出現在局部區域。在各洞室的拱腳處以及洞室側墻墻角處，應力集中較為明顯。

（4）洞室開挖后，圍巖向臨空面發生位移，但位移量不大。洞頂局部受構造及裂隙影響，沉降較大。

（5）地下廠房圍巖穩定性總體較好，隨機組合的不穩定塊體規模均不大。