沙灣水電站引水隧洞圍巖塌方分析研究

谷 健

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川成都610072)

1 工程概況

沙灣水電站位于四川省木里縣境內(nèi)，系雅礱江中游右岸最大支流木里河干流水電規(guī)劃一庫六級方案中的第三級梯級電站。引水隧洞長約18.775 km，縱坡降4.04778‰，利用落差256 m，裝機(jī)容量240 MW。隧洞斷面型式為圓型，直徑為7.2 m，設(shè)計引用流量124.08 m3/s。引水隧洞開挖過程中出現(xiàn)大量圍巖塌方，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。

2 引水隧洞基本地質(zhì)條件

引水隧洞沿線山體雄厚，河谷深切，呈“V”型谷，谷坡陡峻，植被發(fā)育。隧洞位于木里河右岸，沿線支溝較為發(fā)育，從上至下分別為:日阿冬溝、陽山溝、茶布朗溝等，常年性流水。引水隧洞沿線出露巖性主要為奧陶系下統(tǒng)瓦廠組板巖夾中厚層狀層紋理發(fā)育變質(zhì)石英砂巖、千枚巖，人工組的中厚層狀層紋理發(fā)育的變質(zhì)石英砂巖夾板巖、千枚巖，少量志留系(S1)的板巖夾千枚巖、硅質(zhì)巖，三疊系下統(tǒng)領(lǐng)麥溝組的板巖夾千枚巖、硅質(zhì)板巖。巖層總體產(chǎn)狀:N30°～40°W/SW∠15°～50°。

隧洞區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，發(fā)育4條區(qū)域性斷層——圓寶山、尼都、機(jī)落和茶布朗斷層，破碎帶一般寬約20～40 m，機(jī)落斷層寬達(dá)248 m，由碎裂巖、糜棱巖、角礫巖、少量斷層泥、裂隙密集帶組成，揉皺較發(fā)育，層間錯動帶寬0.3～0.5 m，隨機(jī)發(fā)育小斷層，寬度0.5～3 m，由碎裂巖、糜棱巖組成。隧洞區(qū)物理地質(zhì)作用較顯著，主要表現(xiàn)為卸荷與崩塌，沿線崩、坡堆積的塊碎石分布較廣泛，兩岸的支溝泥石流不發(fā)育，巖體風(fēng)化主要受巖性、構(gòu)造控制，部分地段風(fēng)化較強(qiáng)。

隧洞區(qū)地下水主要為第四系松散堆積物孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。第四系松散堆積物孔隙水受大氣降水控制;基巖裂隙水，其賦存與運(yùn)移主要受巖性和構(gòu)造所控制，主要富積于斷層附近裂隙密集帶，埋藏較深，向河谷及下游排泄。據(jù)區(qū)內(nèi)溝水、河水及泉水水質(zhì)分析成果，隧洞區(qū)環(huán)境水對混凝土無腐蝕性。

3 主要塌方形式

沙灣水電站引水隧洞斷面型式為圓型，直徑為7.2 m。隧洞工程區(qū)主要為變質(zhì)石英砂巖夾板巖、千枚巖，巖性屬硬巖、軟巖相間。因引水隧洞地質(zhì)條件不同，塌方形式也有所不同。主要的塌方形式有:塑性擠出、內(nèi)擠塌落、松脫塌落和碎裂松動等。

軟巖區(qū)主要表現(xiàn)為塑性擠出和內(nèi)擠塌落，塌方過程為緩慢變形直至整體破壞。硬巖區(qū)則以松脫塌落和碎裂松動為主，起初為掉塊，如不及時支護(hù)，將逐漸整體塌落，頂拱形成大的空腔。

4 塌方影響因素

塌方的產(chǎn)生，往往是多種不利地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果。通過對沙灣水電站引水隧洞長18.775 km的地質(zhì)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，塌方主要的影響因素包括以下幾點(diǎn)。

4.1 圍巖強(qiáng)度

硬巖塌方主要由結(jié)構(gòu)面控制，而軟巖塌方主要決定于圍巖強(qiáng)度。據(jù)統(tǒng)計，隧洞27處塌方中，有21處位于斷層破碎帶、軟巖附近，占總數(shù)77%。可見隧洞塌方大多發(fā)生在斷層破碎帶及其交匯帶、軟弱巖層中。圍巖強(qiáng)度越小，塌方規(guī)模越大。表1列出了塌方處圍巖分類情況。

從表1可見圍巖不穩(wěn)定主要集中在V類和IV類，尤其是V類，而III類則無塌方。說明圍巖強(qiáng)度是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素。

4.2 巖體結(jié)構(gòu)

塌方與巖體結(jié)構(gòu)類型關(guān)系密切，巖體結(jié)構(gòu)類型決定了巖體破壞形式、巖體內(nèi)部相互作用的力學(xué)狀態(tài)。27處塌方的巖體結(jié)構(gòu)類型統(tǒng)計見表2。

從表2可以看出，巖體結(jié)構(gòu)類型中的碎裂結(jié)構(gòu)對圍巖穩(wěn)定性影響最大，達(dá)到51.9%，其次是層狀結(jié)構(gòu)和散狀結(jié)構(gòu)，而塊狀結(jié)構(gòu)對圍巖穩(wěn)定性影響最小，僅有1處。這與碎裂結(jié)構(gòu)的成洞條件差有關(guān)，碎裂結(jié)構(gòu)相較其他結(jié)構(gòu)更易在外力作用下破壞，失去整體穩(wěn)定性。因而在隧洞開挖、支護(hù)過程中對碎裂結(jié)構(gòu)巖體洞段應(yīng)引起高度重視。

表2 巖體結(jié)構(gòu)類型統(tǒng)計

4.3 地下水活動

地下水的活動對惡化圍巖穩(wěn)定性導(dǎo)致塌方起到至關(guān)重要的作用。在斷層裂隙發(fā)育及水敏感性強(qiáng)的軟巖情況下，地下水因洞室開挖面匯集排泄，對圍巖不僅產(chǎn)生外壓，而且將產(chǎn)生動水壓力，帶走不穩(wěn)定的松軟物質(zhì);同時，軟化、泥化及膨脹作用也將減小結(jié)構(gòu)面的摩擦力。因此，地下水的活動極大地促進(jìn)了塌方的發(fā)生，且規(guī)模增大［1］。

沙灣水電站引水隧洞開挖過程中地下水極其發(fā)育，27處塌方中有16處與地下水活動有關(guān)，占59.3%。其中部分塌方段在斷層擠壓破碎帶和地下水的共同作用下，形成碎石流。另外，泥質(zhì)板巖的洞段在遇到地下水發(fā)育時，泥質(zhì)板巖被水軟化，在外力作用下，巖體表面形成泥漿。故在隧洞開挖時及時、有效排水對洞室穩(wěn)定非常重要。

4.4 有害氣體

在沙灣水電站的引水隧洞開挖過程中，常見有異味氣體從隧洞底板和洞壁上逸出，且洞壁、長大裂隙和裂隙交匯地帶多處發(fā)現(xiàn)有硫磺析出。2008年1月2日，在1#支洞下游側(cè)樁號K2+245m附近，放炮后發(fā)生2名工人中毒事件，爆破后又發(fā)生了二次爆炸，在頂拱形成一個高10 m、寬4～6 m的塌腔。經(jīng)試驗(yàn)分析表明，隧洞中氣體的主要成分有:O2、N2、H2、CO2、CO、CH4、SO2、H2S 和氮氧化合物等?？梢钥隙ㄋ矶此綖橛泻怏w二次爆炸形成，這在其他隧洞開挖過程中是少見的。

5 塌方機(jī)理

塌方實(shí)質(zhì)是圍巖應(yīng)力不平衡的表現(xiàn)。隧洞開挖前，圍巖處于三向受力的圍壓狀態(tài)。隨著洞室的開挖，洞周圍巖在天然初始應(yīng)力場的背景下產(chǎn)生應(yīng)力集中，或集中后的應(yīng)力釋放使應(yīng)力集中區(qū)往圍巖深部遷移，從而形成二次應(yīng)力場。在重新分布的過程中，洞壁巖體擠壓變形，凸向洞內(nèi)，如未及時支護(hù)或支護(hù)強(qiáng)度不足，圍巖將失去自穩(wěn)能力，從而形成塌方;加之地下水的活動，降低了結(jié)構(gòu)面的c、φ值，加劇了塌方的形成。塌方一般都是從變形到掉塊，最后形成大規(guī)模的塌方。

沙灣水電站引水隧洞區(qū)域巖性主要為板巖夾中厚層狀層紋理發(fā)育變質(zhì)石英砂巖、千枚巖，中厚層狀層紋理發(fā)育的變質(zhì)石英砂巖夾板巖、千枚巖。軟巖與硬巖相間，受地殼、板塊作用，擠壓揉皺現(xiàn)象突出。開挖支護(hù)后，層間軟弱帶與硬巖受力不均，或無法持續(xù)承受拱頂上覆巖體擠壓，從而發(fā)生局部變形和掉塊，未及時加固處理進(jìn)而發(fā)生塌方。

6 塌方處理方式

塌方處理需根據(jù)塌方現(xiàn)場實(shí)際情況:圍巖類別、地下水情況、塌方原因、圍巖支護(hù)情況和塌方規(guī)模等，進(jìn)行分析后采取具體處理方式。沙灣水電站引水隧洞塌方的處理主要采取以下幾種方式。

(1)加密系統(tǒng)錨桿，掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)。這種方式主要針對規(guī)模小、無地下水發(fā)育、圍巖為IV類的塌方洞段。該種洞段巖性主要為石英砂巖，巖石堅硬，因不利裂隙組合相互切割形成不穩(wěn)定塊體，整體穩(wěn)定性較好。

(2)預(yù)埋灌漿管進(jìn)行水泥砂漿回填灌漿，型鋼支撐跟進(jìn)支護(hù)，并掛網(wǎng)噴混凝土。這種方式處理的塌方規(guī)模較大，無地下水發(fā)育或洞壁濕潤，圍巖以V類為主的洞段。巖性為炭質(zhì)板巖夾千枚巖，存在軟弱結(jié)構(gòu)面或?qū)娱g擠壓破碎帶等不利地質(zhì)現(xiàn)象，及時處理后不會形成大規(guī)模塌方。

(3)用塌碴封閉塌方洞段，埋混凝土輸送管，采用泵送混凝土回填后再按原斷面開挖，用系統(tǒng)錨桿加型鋼拱架支護(hù)，再噴混凝土，地下水對施工有影響的需做排泄。這種方式主要用于處理塌方規(guī)模大、頂拱存在塌腔、地下水發(fā)育(有不斷涌水現(xiàn)象)、圍巖為V類的塌方洞段。該種塌方段存在斷層破碎帶及其影響帶，并伴有線狀涌水，圍巖極不穩(wěn)定，巖性以炭質(zhì)千枚巖為主，擠壓揉皺嚴(yán)重，型鋼支護(hù)后依然發(fā)生變形。

7 結(jié)束語

對于像沙灣水電站這種巖性為石英砂巖、砂質(zhì)(炭質(zhì))板巖和千枚巖的地區(qū)，長引水隧洞的圍巖支護(hù)需引起高度重視，充分認(rèn)識到其復(fù)雜的地質(zhì)條件，對于圍巖不穩(wěn)定的洞段加強(qiáng)巡視，對可能變形趨勢有所預(yù)判，準(zhǔn)備多種處理方案，盡量減少塌方或大規(guī)模塌方的發(fā)生，保證工程施工的順利進(jìn)行。

［1］《中國水力發(fā)電工程》編審委員會.工程地質(zhì)卷［M］.北京:中國電力出版社，2000