瀑布溝水電站地下廠房系統巖爆規律分析

王 廣 巍

(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 概 述

瀑布溝水電站地跨四川省漢源和甘洛兩縣，下距烏斯河鎮7 km，上距漢源縣城28 km，附近可通鐵路和公路，交通方便。電站最大壩高186 m，正常蓄水位850.0 m，死水位790.0 m，控制流域面積68 512 km2，總庫容53.37億m3；水電站共裝有6臺機組，裝機容量3 600 MW，保證出力926 MW，年發電量147.9億kW·h。發電建筑物采用地下廠房型式，地下廠房系統主要由地下廠房、主變室、尾水閘門室三大洞室組成，尾水閘門室與尾水隧洞相連。

地下廠房由外向里依次布置副廠房、主廠房和安裝間，軸線方向N42°E，斷面呈圓拱直墻型；副廠房尺寸為25.5 m×26.8 m×40.1 m(長×寬×高)，主廠房尺寸為208.6 m×26.80 m(吊車梁以下)×70.1 m(長×寬×高)，安裝間尺寸60 m×26.80 m(吊車梁以下)×29.1 m(長×寬×高)。主變室位于地下廠房下游，斷面呈圓拱直墻型，尺寸為249.1 m×18.30 m×25.975 m(長×寬×高)。尾水閘門室位于主變室下游，斷面呈圓拱直墻型，尺寸為212.085 m×16.4 m×56.35 m(長×寬×高)。瀑布溝水電站地下廠房系統縱向布置示意見圖1。

瀑布溝水電站第一臺機組于2009年12月發電，2010年12月6臺機組全部投產。截至目前，水電站已經正常發電近10年，社會經濟效益顯著。

圖1 瀑布溝水電站地下廠房系統縱向布置示意

2 工程地質條件

地下廠房系統洞室群布置在大渡河左岸山體中，地形完整，水平埋深240～540 m，垂直埋深200～360 m，距大渡河邊約400 m，洞室軸線方向N42°E；圍巖為澄江期中粗粒花崗巖，僅有少量輝綠巖脈分布，微風化～新鮮，主要呈次塊狀～塊狀結構，完整性好，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主；巖性堅硬，強度高，巖石飽和單軸抗壓強度一般在100 MPa以上，巖體弱卸荷水平深度38 m，弱風化水平深度221 m。

廠房系統內無大的斷層分布，構造表現為小斷層、擠壓破碎帶、節理裂隙。小斷層、擠壓破碎帶絕大多數產狀為N40°～60°W/SW∠20°～40°，寬度多小于50 cm；斷層帶多由碎裂巖、碎塊巖及少量糜棱巖組成，結構擠壓緊密。圍巖中優勢節理有4組，分布有明顯的區段性，一般為兩組或兩組節理加隨機節理的組合，結構面大多平直粗糙，常見蝕變膜。

地下廠房系統地下水類型為基巖裂隙水，接受大氣降水補給，向大渡河排泄；開挖揭示地下水不豐富，僅局部段滲滴水或濕潤，滲滴水多沿軟弱結構面出現，隨著開挖的進行，出水量逐漸減小、消失，對圍巖穩定無大的影響。如交通洞和1號施工支洞剛揭穿斷層帶及其影響帶時有小股涌水，之后漸小。據水質分析，基巖裂隙水屬弱堿性低礦化度淡水，對混凝土結構具微腐蝕性。

前期針對地下廠房系統的現場地應力測試，巖體地應力場最大主應力σ1為21.1～27.3 MPa，方位穩定，廠房軸線與最大主應力方向夾角一般為26.7°～36.7°，自重應力σH與垂直應力σZ之比小于50%，平均σ1：σ2：σ3=1：0.65：0.27，表明是以構造應力為主的地應力場，且偏應力較大。巖石飽和單軸抗壓強度Rb與最大主應力σ1比值在3.9～7.6間，根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)巖爆分級及判別標準，地下廠房系統巖體可能發生中等～輕微巖爆。巖爆分級及判別見表1。

表1 巖爆分級及判別

注：Rb為巖石飽和單軸抗壓強度(MPa)，σ1為最大主應力。

3 巖爆發育規律

巖爆是圍巖突然釋放大量彈性應變能導致巖石產生脆性破壞的現象。它一般只發生在高地應力地區，并且圍巖堅硬完整，有積蓄較大彈性應變能的能力。瀑布溝水電站地下廠房系統屬于高地應力區，圍巖為澄江期中粗粒花崗巖，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，完整性好；巖性堅硬，巖石飽和單軸抗壓強度一般在100 MPa以上，地下水不豐富；圍巖具備了發生巖爆的地質條件。

開挖揭示，地下廠房系統洞室群局部完整巖體中有巖爆現象，掘進時發出噼啪破裂聲，根據洞室施工過程中現場記錄統計分析，洞室巖爆主要有兩種方式。

第一種巖爆方式為爆裂彈射方式，發生巖爆時伴有清脆響聲，同時伴有灰霧及震動現象。圍巖呈片、板狀由洞室拱座附近向內側或由開挖面向臨空面發生彈射，彈射距離2～3 m不等，一般呈中間厚、邊緣薄透鏡體狀，厚度一般3～20 cm。

第二種巖爆方式為劈裂剝落方式，爆裂發生時無響聲或聲音很小，爆裂巖體經開挖爆破震動部分發生塌落，部分爆裂松弛后經過一段時間塌落或僅開裂而不塌落。表部巖體多呈片狀開裂，影響深度可達0.1～1.0 m。

從洞室開挖情況統計，平行洞室間的巖柱(厚度較小的)、隧洞從兩頭開挖接近貫通時的部位、洞室輪廓線變化處，都是應力集中較大的地點，易于發生巖爆。瀑布溝水電站地下廠房系統巖爆特征統計見表2。

表2 瀑布溝水電站地下廠房系統巖爆特征統計

4 巖爆防治措施

瀑布溝水電站地下廠房系統屬于高地應力區，開挖過程主要通過改變洞室圍巖應力狀態，減緩圍巖應力集中來實現巖爆防治。巖爆防治主要施工措施如下。

(1)打超前小導洞。全斷面掘進開挖對圍巖擾動大，易誘發巖爆，在開挖面打超前小導洞，通過小導洞提前釋放部分應力，減少圍巖巖爆現象。地下廠房系統圍巖均在開挖面打超前小導洞，提前釋放部分應力，有效減少了圍巖巖爆頻率，降低了圍巖巖爆強度。

(2)控制爆破。洞室開挖中采用淺孔多循環光面控制爆破，嚴格控制最大單響藥量，提高爆破殘孔率，使洞室開挖面盡量圓順，避免局部洞壁圍巖產生應力集中，減少圍巖巖爆現象。地下廠房系統圍巖爆破殘孔率要求大于90%，保證洞室開挖面盡量圓順。

(3)掌子面噴水、鉆孔注水。在新開挖的掌子面上噴水、鉆孔注水，使圍巖表部應力緩慢釋放，從而降低巖爆的影響范圍和強度，減少了巖爆對作業人員、生產設備的威脅。地下廠房系統圍巖在新開挖的掌子面上多次實施噴水作業，使圍巖表部應力緩慢釋放的同時降低了洞室內灰塵，保證了施工安全。

(4)及時加固支護。在洞室開挖完成后，及時對圍巖進行加固支護是防治巖爆的主要措施，這不僅可以改善圍巖應力大小和分布，還能使洞室周邊巖體從平面應力狀態變為空間三向應力狀態，達到減輕巖爆危害，防止巖石彈射、剝落事故發生。瀑布溝水電站地下廠房系統主要采用“徑向錨桿+噴混凝土”“徑向錨桿+噴混凝土+鋼筋網”“錨索+徑向錨桿+噴混凝土”等型式對圍巖進行支護，實踐證明，上述支護處理有效減少了圍巖巖爆事故，保證了作業安全。

5 圍巖變形監測

洞室施工期間，圍巖應力將發生重新分布且不斷進行調整。變形監測的目的是掌握洞室圍巖及支護的變形動態，確保施工的安全性、經濟性，同時對設計起到一定的指導和檢驗作用。如發現支護變形增加，說明圍巖變形加大，應及時采取補強加固處理措施。為及時監測地下廠房系統圍巖應力、應變的變化情況，在地下廠房、主變室、尾水閘門室等部位埋設了多點位移計、錨桿應力計、錨索測力計。

經對地下廠房系統圍巖進行噴錨、掛網、錨索等支護處理后，根據圍巖變形監測成果，對個別監測斷面處圍巖進行了補強加固處理。監測成果分析顯示，經支護措施處理后，地下廠房系統圍巖應力、應變已經趨于收斂，圍巖穩定。截至目前，地下廠房系統已經安全運行近10年，社會經濟效益顯著。

6 結 語

(1)瀑布溝水電站地下廠房系統屬于高地應力區，圍巖為澄江期中粗粒花崗巖，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，完整性好；巖性堅硬，巖石飽和單軸抗壓強度一般在100 MPa以上，地下水不豐富；圍巖具備了發生巖爆的地質條件。根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)巖爆分級及判別標準，廠房系統巖體可能發生中等～輕微巖爆。

(2)瀑布溝水電站地下廠房系統包括地下廠房、主變室、尾水閘門室等洞室，施工中有巖爆現象發生，多發生在拱座部位，圍巖呈片、板狀爆裂彈射及劈裂剝落，彈射巖片厚度一般為3～18 cm，并伴隨清脆響聲及灰霧。

(3)在地下廠房系統施工中，對圍巖采取打超前小導洞、控制爆破、掌子面噴水及鉆孔注水、及時加固支護等工程措施，有效地降低了圍巖巖爆發生的強度和頻率，提高了施工進度、保證了作業人員、設備安全。