大崗山水電站地下洞室群圍巖穩定性評價

吳灌洲，徐敬武

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

1 工程概況

大崗山水電站是大渡河干流水電規劃24級方案的第14個梯級水電站，電站總裝機容量2 600 MW，年發電量114.5億kW·h。主要建筑物有混凝土雙曲拱壩、引水發電建筑物、泄洪洞工程等，地下廠房系統分主副廠房及安裝間、主變室和尾水調壓室三部分，其中主、副廠房呈直線布置，軸線方向為N55°E，主變室和尾水調壓室與主廠房平行布置，巖墻厚度約47.50 m(見圖1)。

圖1 地下廠房洞室平面布置示意(單位：m)

2 廠房區基本地質條件

大崗山地下廠房區域開挖揭露的巖性主要為微紅色中粒黑云二長花崗巖及穿插其間的輝綠巖脈；共揭示輝綠巖脈11條，其中β80、β81規模較大。其中，β80輝綠巖脈總體產狀呈N15°E/NW∠50°～N25°W/SW∠65°，貫通于主廠房頂拱、上下游邊墻和副廠房右側端墻，局部夾有花崗巖透鏡體，斷層式接觸；沿巖脈上界面發育f57斷層，下界面發育f58斷層，脈體呈碎裂結構；β81輝綠巖脈產狀總體呈N15°～20°W/SW∠70°～80°，貫穿于三大洞室的頂拱和上下游邊墻，斷層式接觸，上界面發育斷層f59，下界面發育斷層f60，脈體呈塊裂-鑲嵌結構。

地下廠房開挖共揭示13條斷層，斷層主要沿輝綠巖脈脈巖或花崗巖體內結構面發育，斷層破碎帶寬度一般10～30 cm，主要由片狀巖、碎粉巖、碎裂巖組成，其中Ⅲ級結構面有5條，Ⅳ級結構面有8條。

廠房區域開挖揭示頂拱、邊墻、端墻總體潮濕，局部滲滴水，其中副廠房及4號機組一帶沿β80輝綠巖脈地下水較豐富，普遍滲、滴水，局部呈線狀滴水。

地應力總體以中等應力為主，開挖未見高地應力現象。

廠房區域開挖揭露的地質條件表明，地下廠房圍巖以Ⅲ～Ⅱ類為主，占90%以上，局部洞段的輝綠巖脈條帶及其影響帶為Ⅳ～Ⅴ類圍巖。

3 影響地下洞室圍巖穩定的因素

3.1 地形條件

地下廠房區域地表自然坡度一般為38°～65°，谷坡高陡，基巖裸露，地形較為完整。地下廠房區域三大洞室水平埋深310～530 m，垂直埋深390～520 m，上覆巖體足以保持洞室頂拱的穩定。

3.2 地層巖性

地下廠房區地層巖性主要為微紅色中粒黑云二長花崗巖，局部出露輝綠巖脈，主要有β80、β81等，巖體較完整，穩定性較好。

3.3 地質構造

地下廠房區未揭露區域性斷裂，地質構造主要為沿脈巖發育的擠壓破碎帶、斷層和節理裂隙，斷層主要有f56～f60等，一般為Ⅳ級結構面。巖體主要發育5組裂隙：①近SN/E∠60°～80°；②N10°～30°W/SW∠65°～75°；③N15°～30°E/NW∠60°～70°；④近EW/N(或S)∠70°～85°；⑤緩傾角結構面，近SN /E∠17°～26°。總體上最發育的為近SN向陡傾角結構面，局部洞段發育第⑤組緩傾角裂隙。

Ⅲ級結構面對圍巖完整性的影響程度有限，一般僅限于斷層兩側數米范圍之內，Ⅳ級結構面巖體結構類型則主要受其發育程度影響。

對于廠房區域地下洞室群，Ⅲ、Ⅳ級結構面一般不構成特定的不利塊體。由隨機結構面與Ⅲ、Ⅳ級結構面組合形成的半確定塊體，需具體分析其穩定性；隨機分布的一般裂隙結構面形成的不確定塊體，對洞室圍巖穩定性的影響也僅限于局部范圍之內。

考慮到Ⅲ、Ⅳ級結構面對洞室圍巖穩定性影響較大，布置水工建筑時，盡量與Ⅲ、Ⅳ級結構面走向有較大夾角。廠房三大洞室軸線方向均為N55°E，與該區域內Ⅲ、Ⅳ級結構面的主要發育方向(近SN向)的夾角大于45°，總體上對洞室圍巖穩定較為有利。

3.4 風化卸荷

地下廠房洞室群均布置于微風化至新鮮花崗巖體內，巖體風化對洞室圍巖穩定性的影響基本可以忽略；強卸荷水平深度一般5～30 m；弱卸荷水平深度一般30～60 m，但廠區地下洞室群的水平埋深超過300 m，已完全避開岸坡卸荷帶，因此巖體卸荷對圍巖穩定性的影響甚微。

3.5 地下水

地下廠房區域地下水主要有基巖裂隙潛水、基巖裂隙承壓水兩種類型。地下水對圍巖穩定性的影響與圍巖特性有關，一般堅硬完整的巖石受地下水的影響較小，而軟弱破碎的巖體受地下水的影響較大。廠房區地下洞室群圍巖多新鮮完整，地下水的水頭高度約100 m，地下水對圍巖穩定性影響是局部性的，主要是對Ⅲ級結構面的軟化、泥化、沖刷、淘蝕作用，及對Ⅳ級結構面和Ⅳ、Ⅴ類圍巖的軟化、泥化作用。

3.6 地應力

大崗山工程樞紐區應力環境較為復雜，實測廠房區地下洞室群地應力量值σ1=11.37～19.28 MPa，平均值約14.5 MPa，故總體以中等應力為主，局部偏高，廠區實測最大主應力方向NE18.15°～60.95°。最大主應力方向與廠方軸線夾角較小，因此，廠區地應力分布對圍巖穩定較為有利。

3.7 地下廠房洞室群圍巖類別

對地下廠房區域三大洞室而言，其在巖性、構造、巖體風化程度和地下水等方面并無太大差異，對洞室邊墻及頂拱不同部位圍巖穩定性產生影響的主要因素是各級結構面的發育情況及規模和性狀。一般情況下，輝綠巖脈破碎帶及其影響帶、裂隙密集帶多為Ⅳ類或Ⅴ類圍巖，洞室圍巖不穩定～極不穩定；花崗巖體一般為Ⅱ類或Ⅲ類，圍巖穩定～局部穩定性差。開挖揭示地質條件表明，廠房區域Ⅱ類圍巖占25%，Ⅲ類圍巖占67%，Ⅳ類圍巖占6%，Ⅴ類圍巖占2%。

4 地下廠房洞室群圍巖穩定性評價

4.1 開挖過程中的應力、位移及塑性圈變化特征模擬分析

根據實際地形特征和地層分布，以及現場施工開挖方案，在三大洞室分別選取代表性斷面建立數值計算網格(見圖2)。為了研究分層開挖洞周變形特征，根據分層施工方案，并結合現場位移監測布置情況，分別在模型斷面上選取相應的關鍵點予以變形觀測，通過現場位移監測和數值模擬對比分析反映洞室周邊位移的變化情況。對于模型參數的選取，參照廠區的巖體試驗成果，并結合基于位移反分析推算得到的巖體強度參數使用。

圖2 主廠房1、3號機組對應斷面數值模擬

數值模擬分析得知，隨著分層開挖向下推進，洞周應力不斷釋放，頂拱和底板局部出現拉應力，但量值不大；開挖后在上下游邊墻部位出現一定程度的應力集中現象，上下游邊墻數值不等，局部出現的輝綠巖脈及影響帶，導致局部出現一定的應力集中現象。同時，伴隨開挖進行，洞周主應力方向發生一定偏轉，原最大主應力方向由垂直向轉為沿洞周輪廓方向環流狀態分布，且隨著開挖向下推進，應力場不斷發生調整變化，圍巖徑向應力釋放，環向應力增加，且頂拱拱座、上下游邊墻拐角處、巖錨梁等幾何突變部位產生應力集中，存在有較大壓應力值(見圖3)。

圖3 主廠房1、3號機組模擬開挖應力變化

由模擬斷面關鍵點隨開挖位移變化統計表明，在施加支護后，隨著應力的不斷釋放，開挖后洞周位移朝向開挖臨空面，其中拱頂下沉，位移范圍為1.3～3.3 cm，拱腳關鍵點和上下游邊墻關鍵點在開挖過程中的位移量從0.3 cm到5.1 cm不等，其中偏移較大的測點是靠近輝綠巖脈附近。模擬過程中能看出關鍵點的位移變化穩步增長。只要做到及時支護，隨著開挖的繼續位移變形基本趨于平穩，最終位移均在變形允許的范圍內，說明開挖后及時支護效果良好(見圖4)。

圍巖塑性區的范圍及分布特征是地下洞室圍巖穩定性狀況和開挖質量衡量的重要指標之一。通過判斷圍巖塑性區的范圍，可以校核支護設計方案的有效性和合理性，為優化支護設計方案提供科學依據。模擬過程中發現，塑性區巖體以剪切屈服為主，局部為拉裂破壞。隨開挖進行，頂拱即形成向巖體內延伸的塑性區，且隨著向下開挖不斷變大，但增幅不斷變小，最后趨于穩定，最終在頂拱形成厚度為6.75～13.53 m的塑性區，邊墻上的塑性區范圍達9.7～18.3 m，局部數值較小，分析認為與輝綠巖脈對周圍巖體塑性區的擴展和貫通起阻斷效應(見圖5)。

圖5 主廠房1、3號機組模擬開挖后塑性區

4.2 塊體穩定性分析

地下廠房三大洞室圍巖整體穩定性較好，但跨度大(30.8 m)，邊墻直立高陡(66 m)，受巖體內特定結構面和隨機結構面切割組合影響，局部形成潛在不穩定塊體。根據開挖揭示地質資料，通過各結構面空間延伸狀況，運用解析幾何和塊體理論的方法，搜索洞室圍巖中可能存在的潛在不穩定塊體，并進行穩定性分析。

對于頂拱塊體組合特征的評價，根據各洞段優勢節理組合，加之對應的確定性結構面參與組合，得出各段參與組合的結構面，經Unwedge程序搜索與計算得出塊體相應的特征指標。分析表明：主廠房頂拱圍巖局部穩定狀況較好，開挖過程中需注意確定性結構面發育部位圍巖的穩定性。

對于邊墻塊體組合特征的評價，根據各部位優勢節理組合，加之對應的確定性結構面參與組合，通過塊體理論對主廠房圍巖穩定性予以分析，結果表明，輝綠巖脈和斷層等確定性結構面的組合在三大洞室上、下游邊墻沒有形成較大規模的確定性可動塊體，但局部存在斷層和輝綠巖脈與隨機性結構面組合形成的潛在不穩定塊體，其余為隨機性結構面形成的隨機潛在失穩塊體。

此外，由于輝綠巖脈本身較為破碎，在較大規模的輝綠巖脈發育處可能出現巖脈碎塊松動潰散失穩現象。同時，開挖揭露地質條件表明，NNE向陡傾角結構面對邊墻穩定產生較大影響。

4.3 開挖過程中圍巖松動圈檢測

由聲波傳播的原理可知，當圍巖是同一種巖性時，在波速降低的地方，圍巖較松動，或者圍巖中裂隙較多。洞室開挖會導致圍巖的應力重分布，導致洞室周圍產生塑性的松動圈，松動圈中會因為發生了塑性變形產生較多的裂隙，導致圍巖容易松動。

三大洞室開挖過程中，分別在各洞室代表性斷面上布置了松動圈檢測孔，通過對鉆孔內巖體的聲波測試成果，判斷巖體是否松弛，并結合鉆孔巖心和鉆孔全景攝像資料予以輔助判別。檢測結果表明，三大洞室頂拱的圍巖松動范圍介于2.4～5.2 m，上下游邊墻圍巖松動范圍介于1.0～3.8 m。表明三大洞室部位巖體質量總體較好，除局部特殊洞段外，圍巖完整性較好，圍巖松弛深度相對較小，普遍在1.0～5.2 m范圍內，最大值產生在主廠房廠(橫)0+50.9 m的頂拱部位，分析認為與廠房跨度大，開挖后應力釋放和支護及時程度有關；其它靠近巖錨梁部位的檢測點，檢測松動范圍明顯偏小，多為1～3 m，分析認為，這與巖錨梁部位開挖采用了專門的開挖支護措施有關；同時，測試表明爆破開挖對廠房巖錨梁部位圍巖松動的影響得到有效控制。另外，雖然實測的圍巖松動圈成果與數值模擬成果相比，數值上有差距；但分析認為，在目前的模型概化精度基礎上，得出的結論仍具有較好的指導性(見圖6)。

圖6 三大洞室圍巖松動圈示意

4.4 監測成果分析

地下廠房三大洞室共布置11條監測斷面，共布設四點式多點位移計53套，三點式多點位移計41套，兩點式錨桿應力計95套，單點式錨桿應力計2支，錨索測力計33臺、滲壓計16支，測縫計39支，錨桿應力計39套，錨索測力計13臺，均安裝完成并正常運行。

圖7 主廠房4號機組上游邊墻位移時間過程曲線

5 結 論

(1)通過大量勘探試驗工作選定的大崗山廠房位置工程地質條件優良，圍巖類別主要為Ⅱ～Ⅲ類，洞室圍巖基本穩定～局部穩定性差。

(2)地下廠房區域巖性主要為微風化～新鮮的花崗巖體及穿插其間的輝綠巖脈。地下洞室群圍巖整體穩定性較好，但跨度大，邊墻直立高陡，對地下洞室圍巖穩定影響較大的因素主要為輝綠巖脈及影響帶和結構面。受特定結構面與隨機結構面組合影響，局部形成潛在不穩定塊體。

(3)數值模擬成果表明，隨著分層開挖推進，洞室頂拱和邊墻的應力、位移和塑性區均產生一定變化，但量值有限，有效支護后滿足洞室穩定要求。圍巖松動圈監測成果表明，三大洞室圍巖完整性較好，開挖后未出現大范圍圍巖松弛現象；大量監測成果表明洞室變形較小，洞室穩定。

參考文獻：

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