白鶴灘水電站地下廠房圍巖開挖松弛深度分析

謝志偉，樓一江

（浙江華東建設工程有限公司，浙江 杭州，311122）

0 引言

地下廠房由于受埋深變化大、穿越地層復雜多變、布置密集、高地應力、地質條件和地質構造復雜、廠房尺寸大、巖體強度和變形的不確定性、地下水等多種因素的影響，巖體力學性質波動較大，開挖和爆破活動將使圍巖應力得到釋放，引起圍巖變形，甚至使洞室圍巖產生裂隙張開和松弛現象。通過聲波法測定圍巖松弛厚度，掌握圍巖應力分布情況，有助于在圍巖失穩前采取有效且經濟的支護措施，確保地下廠房的施工安全。

1 工程概況

金沙江白鶴灘水電站位于云南省巧家縣大寨鎮與四川省寧南縣跑馬鄉之間的金沙江上，上距烏東德水電站壩址182 km，下距溪洛渡水電站195 km。白鶴灘水電站正常蓄水位為834 m，壩高約289 m，相應庫容為206.27 億m3，初擬裝機容量為16 000 MW，保證出力為5 500 MW，多年平均發電量為640.95億kWh。

白鶴灘水電站左岸地下廠房布置在拱壩上游山體內，地下廠房洞室水平埋深800～1 050 m，垂直埋深260～330 m；地下廠房部位為單斜巖層，巖層總體產狀為N42°～45°E，SE∠15°～20°，主要由層新鮮狀隱晶質玄武巖、斑狀玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖等組成。左岸地下主廠房洞長438 m、高88.7 m，巖梁以下寬31.0 m、以上寬34.0 m，機組安裝高程570.0 m，主變洞與主副廠房洞凈間距60.65 m，于2014 年開挖，2018 年開挖完成，開挖分層情況見圖1。

圖1 地下主廠房分層圖Fig.1 Layers at the underground powerhouse

2 檢測方法及原理

單孔聲波采用“一發雙收”測試方式，利用聲波發射換能器向介質發射聲波，另外兩只接收換能器接收沿孔壁傳播的折射波，通過觀測與分析聲波在孔壁的傳播速度及其相對變化，了解介質的性質、結構特征和相關的力學參數。

一般情況下，地下洞室爆破開挖后，將形成爆破（結構松弛）影響帶、應力松弛帶、應力增高帶和原巖應力帶，或形成其中的2～3個帶，洞壁結構松弛和應力松弛將導致聲速降低，而應力增高一般使聲速提高。

通過多次單孔聲波測試的結果差異，查明開挖初期圍巖松弛范圍，以及開挖后圍巖松弛范圍的變化趨勢。

3 地下廠房松弛帶動態分析

根據地質情況，地下廠房共布置6 個檢測斷面，每個斷面在上下游兩側各布置一個聲波測試孔，每個測試孔孔深15 m。聲波測試斷面如圖2所示，平面布置如圖3 所示。開挖過程中，定期對高程608 m聲波測試孔進行一次檢測，同時記錄施工情況。測試結果統計見表1。由于圍巖巖性及測試時間的差異，各斷面的松弛深度有一定的差異，受地應力方向和結構面的潛在影響，不同斷面的圍巖松弛深度也有所不同。

表1 左岸主廠房高程608 m聲波測試結果統計Table 1 Results of the acoustic test on elevation of 608 m at the left main powerhouse

圖2 左岸主廠房高程608 m聲波測試斷面Fig.2 Section on elevation of 608 m in the acoustic test at the left main powerhouse

圖3 左岸主廠房高程608 m聲波測試孔布置Fig.3 Layout of test holes in the acoustic test on elevation of 608 m at the left main powerhouse

主廠房觀測孔所在邊墻Ⅱ層開挖完時釋放了部分應力，邊墻出現了松弛現象，松弛范圍為0.2～2.2 m，之后松弛深度隨廠房開挖深度的增加而增加，直到主廠房開挖結束，松弛深度增加0.8～3.2 m，松弛深度范圍為1.8～4.8 m，說明邊墻的松弛不僅出現在該層開挖過程中，之后下層的開挖過程對其也有影響，使巖體產生一定的松弛。巖體的松弛程度與開挖深度緊密相關，隨下層爆破工作的開展，圍巖松弛深度呈持續增大趨勢。其中0+52 m 上游側、0+320 m上游側在主副廠房Ⅳ層（高程589.8 m）開挖結束后，松弛深度趨于穩定；0+320 m斷面在Ⅴ層（高程578.8 m）開挖結束后，松弛深度趨于穩定；其余斷面基本在Ⅵ層（高程567.8 m）開挖結束后，松弛深度基本趨于穩定，或有較小增加。松弛深度與開挖層數關系見圖4。

圖4 松弛深度與開挖層數的關系Fig.4 Relationship between the relaxation depth and excava?tion layer

表2為廠房中部0+204 m斷面608 m 高程聲波波速結果統計。該斷面在Ⅱ～Ⅵ層開挖過程中，松弛深度加深較大，上游側松弛深度加深2.2 m，下游側加深1.7 m。松弛區聲波均速也有較大的衰減，上游側衰減4.6%，下游側衰減7.7%。Ⅵ層開挖完成后，上下游兩側松弛深度趨于穩定，未見加深。松弛區聲波均速隨下層開挖衰減較大，與Ⅵ層開挖完成后的聲波均值相比較，上游側衰減2.1%，下游側衰減6.2%。非松弛區聲波均速隨下層開挖衰減相對較小，上游側衰減1.0%，下游側衰減3.0%。

表2 0+204 m斷面圍巖聲波波速結果統計Table 2 Statistics of velocity of acoustic wave on the section 0+204 m of the surrounding rock

因此，在主副廠房開挖過程中，Ⅵ層范圍內的開挖爆破對Ⅱ層的圍巖影響較大，即主副廠房下挖過程中，縱向高度40 m 范圍內爆破對該高程的圍巖松弛有較大的影響。而Ⅵ層之后的巖體開挖對松弛深度和非松弛段的聲波均速影響較小，對松弛區的聲波均速有一定的影響。

左岸主廠房608 m 高程、0+320 m 斷面的兩個長觀孔自2016 年3 月開始觀測。該斷面位于主廠房安裝間側。2016 年11 月之后，該斷面不再往下開挖，聲波測試斷面如圖5所示。兩個長觀孔圍巖聲波波速隨時間效應變形分析結果見表3。

圖5 左岸主廠房0+320 m斷面聲波測試布置Fig.5 Arrangement of the acoustic test on the section 0+320 m at the left main powerhouse

從表3可看出，隨主廠房下層開挖，高程608 m圍巖松弛深度有所增加，而在底板高程一定時，隨測試時間跨度的增加，巖體松弛深度未增加，基本趨于穩定，但松弛區和非松弛區的波速有所衰減。上游側松弛區末次測試衰減率為7.3%，非松弛區末次測試衰減率為3.1%；下游側松弛區末次測試衰減率為4.9%，非松弛區末次測試衰減率為3.1%。松弛區衰減比非松弛區衰減明顯。

表3 0+320 m斷面圍巖聲波波速結果統計Table 3 Statistics of velocity of acoustic wave on the section 0+320 m of the surrounding rock

4 結語

對白鶴灘水電站地下廠房開挖過程的聲波檢測進行統計分析表明，在下挖過程中，縱向高度40 m范圍內的爆破對圍巖松弛有較大的影響。開挖高度一定的情況下，巖體松弛深度時間效應較小。因此，應基于松弛段范圍與開挖高程、時間等因素的關系，在施工開挖過程中密切關注相關部位的松弛深度的變化情況，根據松弛深度的變化情況以及空間分布特征，做出適宜的施工和支護方案。