烏東德水電站尾水主洞擴挖過程中邊墻破壞的幾點認識

顏其林，蔣業(yè)龍

(1.安徽省引江濟淮集團有限公司，安徽 合肥 230000；2.三峽大學 土木水電學院，湖北 宜昌 443000)

烏東德水電站廠房布置于左右兩岸山體中，均靠河床側布置，各安裝6臺單機容量為850MW的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量10200MW。主要建筑物有進水口、引水隧洞、主廠房及安裝場、主變洞、母線洞、電纜廊道、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、尾水出口、出線豎井及平洞、地面出線場、交通洞、通風排風(煙)系統(tǒng)、集水井排水管道洞及廠外排水系統(tǒng)等。引水系統(tǒng)采用一機一洞、尾水系統(tǒng)采用二機一室一洞布置，左右岸各有2條尾水隧洞與導流洞結合。

水電站地下洞室群經(jīng)過的地層主要有落雪組的第一段至第十段(Pt2l1-Pt2l10)，洞室圍巖以Ⅱ類、III類為主[1]。由于該水電站具有工程規(guī)模大，洞室布置密集，挖空率較高等特點，在洞室群的施工建設中將遭遇一系列較為突出的大跨度、高邊墻洞室穩(wěn)定或破壞等問題。圍巖的破壞主要是受巖性、巖體結構、地質條件和地應力等因素的影響，有多種破壞模式，具體的表現(xiàn)形式也多樣[2-3]。而不同的破壞模式往往對應著不同的破壞機制和過程。本文對烏東德水電站1#尾水主洞上游段(0+40～0+60m之間區(qū)域)在Ⅰ層擴挖過程中左側邊墻發(fā)生的破壞進行差異性分析，以此對圍巖破壞模式正確的識別，有助于后續(xù)采取針對性的分析方法和工程控制措施，進而避免或減輕圍巖的破壞，達到“防患于未然”。

1 隧洞塌方與巖爆的定義

1.1 隧洞塌方

對于結構面較發(fā)育、巖體質量較差的洞段，開挖一方面導致垂直結構面方向的應力被解除進而使結構面張開，并與其垂直或成大夾角相交的微小裂隙共同切割巖體，進而導致這部分巖體在自重作用下產(chǎn)生解體、潰散后坍落；另一方面結構面張開后導致形成的薄巖板在端部荷載作用下亦可能產(chǎn)生撓曲后彎折潰曲，在自重作用下產(chǎn)生垮塌。而當圍巖質量相對較好時，如結構面與隧洞開挖臨空面相交切割而成不穩(wěn)定塊體，則視其在洞室的出露位置表現(xiàn)出不同的破壞模式：如該不穩(wěn)定塊體出現(xiàn)在頂拱，表現(xiàn)為掉塊；如出現(xiàn)在邊墻，則表現(xiàn)為滑移-坍落。

1.2 巖爆

一般出現(xiàn)在高應力環(huán)境下的完整巖體中，開挖后某些部位高度的應力集中導致巖體儲存大量的彈性應變能，超出巖體儲能能力或受到擾動時可能發(fā)生強烈的動力型破壞，即巖爆。巖爆一般分為應變型巖爆和結構面型巖爆[4-5]。

(1)應變型巖爆，是指圍巖應力集中區(qū)的彈性能應變累積水平超過圍巖的承受能力后直接導致的圍巖破壞現(xiàn)象。深埋高地應力是此類破壞發(fā)生的必要條件。高地應力的影響包括兩個方面：高地應力使原巖儲存更多的彈性能，為巖爆發(fā)生提供了能量源；巖體在高地應力下強烈壓縮，一些隱性的結構面被壓密，巖體結構得到改善，巖體強度得到提高，開挖擾動后圍巖應力調(diào)整過程中，巖體在屈服前積聚更高的能量。

(2)結構面型巖爆，是指巖爆發(fā)生時受附近緊密閉合的硬性結構面或斷裂影響的巖爆。在低應力條件下，結構面自身的變形與破壞對圍巖穩(wěn)定起主要作用；但在高地應力條件下，原巖中的結構面趨于閉合，結構面自身的變形和破壞作用逐漸減小。同時，結構面附近的應力與能量集中成為巖爆的誘發(fā)因素。

2 破壞特征比較

松散結構或極破碎圍巖段內(nèi)產(chǎn)生的塌方是由于巖體在隧道開挖過程中受爆破震動和開挖卸荷的影響，巖體結構被完全破壞而解體，塌方體呈明顯的碎裂狀；受關鍵塊體的滑塌引起的塌方常位于斷層帶、剪切帶、片理化帶、破碎帶等部位，并往往可以觀察到這些大的結構面是作為塌方體的邊界出現(xiàn)的；對于結構面與隧洞開挖相交構成不利組合造成的塌方，除塌方體邊界為結構面外，塌方體也為較規(guī)則的幾何體。

巖爆發(fā)生時，常引起圍巖的震動。巖爆發(fā)生時圍巖內(nèi)部儲存的彈性能部分轉化為失穩(wěn)巖體的動能，巖體拋射物具有一定的初速度。巖爆常常伴有撕裂、清脆或者沉悶的聲響[6]。

3 此次巖體破壞模式識別

首先，從地應力上推測此處發(fā)生巖爆的可能性。巖爆一般發(fā)生在高地應力下，但是目前國際和國內(nèi)尚無統(tǒng)一的標準。結合工程實踐，通常將>20MPa的硬巖巖體內(nèi)的初始地應力稱為高地應力。基于烏東德地廠地應力實測和反演結果[7]，此處的最大主應力<15MPa，因此不屬于高地應力區(qū)域。其次，從強度應力比σc/σ1指標判據(jù)判斷此處發(fā)生巖爆的可能性。結合地廠的灰?guī)r單軸抗壓強度試驗結果，灰?guī)r的常規(guī)三軸試驗和真三軸試驗峰值強度多>100MPa，而反演的最大主應力<15MPa，因此σc/σ1>6.7。根據(jù)Barton判據(jù)、陶振宇判據(jù)及國標GB 50218—94(表1)給定的巖爆判定區(qū)間，此處發(fā)生巖爆的可能性很小。

表1 基于強度應力比的巖爆判據(jù)

現(xiàn)場沒有人員看到此處產(chǎn)生破壞時是否伴隨有巖塊彈射現(xiàn)象，不能據(jù)該現(xiàn)象判定此處破壞是否為巖爆。但從現(xiàn)場所揭示的破壞表面上來看，此處巖體并不完整，其內(nèi)分布有兩組明顯的密集結構面(圖1)，故該處巖體不具備儲存大量應變能的巖體結構條件，自然也就不具備巖爆發(fā)生的條件。另外，此處破壞表面較為平滑(圖2(a))，而巖爆是應變能轉變?yōu)閯幽芎笤斐蓭r石與巖體劇烈分離的一種動態(tài)破壞，其爆坑表面是不平滑和不規(guī)則的(如圖2(b)所示，錦屏二級水電站引水隧洞所發(fā)生的眾多巖爆，即使是輕微巖爆，其爆坑表面也是凹凸不平的)[8]。巖爆最主要的爆后特征是由于巖塊的拋擲現(xiàn)象使其散落范圍大于破壞面的垂直面積(圖3(a))，而從此次破壞巖塊所散落的面積來看，其分布的范圍基本上位于其破壞面的垂直面積內(nèi)(圖3(b))，由此可以斷定此處巖體破壞時沒有明顯的巖塊拋擲現(xiàn)象。綜合以上推斷，可以斷定此處的破壞不是巖爆[9]。

圖1 此處破壞表面密集結構面分布

圖2 此處破壞與巖爆破壞表面對比

圖3 此處破壞與巖爆破壞后巖石散落的范圍對比

對于此次1#尾水主洞上游段Ⅰ層擴挖過程中左側邊墻的破壞，其產(chǎn)生原因是因為中導洞的擴挖致使圍巖表面由三向應力狀態(tài)轉為二向應力狀態(tài)，洞壁處切向應力顯著增加致使其產(chǎn)生明顯的徑向壓致拉裂現(xiàn)象，隨著應力不斷調(diào)整，裂紋持續(xù)擴展并最終與原生裂隙貫通，形成塌方的內(nèi)部邊界；當這些內(nèi)部邊界與開挖臨空面相交時，便形成不穩(wěn)定體，在自重作用下難以自持后沿邊墻塌落。

4 擬采取工程措施及效果

根據(jù)設計要求，參照其他工程應用[10-11]，尾水洞主要支護類型有：錨桿(砂漿錨桿、錨筋束、中空注漿錨桿、自進式錨桿、預應力錨桿、超前錨桿等)、噴射混凝土(包括噴射素混凝土、噴射鋼纖維混凝土、噴射粗纖維混凝土、掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土)、預應力錨索、鋼支撐(含型鋼拱架、格柵鋼拱架、鋼筋肋拱)、小導管。

經(jīng)四方現(xiàn)場確認，排除巖爆，結合圍巖性狀(III類)，此部位系統(tǒng)支護參數(shù)包括Φ32，L=6m/9m@1.5×1.5m的系統(tǒng)錨桿(6m為普通錨桿，9m為張拉力50kN的張拉錨桿，交錯布置)；同時采用掛鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土。

同步對此斷面進行收斂和變型監(jiān)測，設置來多點位移計和錨桿應力計。多點位移計均為3點式布置，孔深10m，錨桿應力計根據(jù)直徑不同布置在6m或者9m的砂漿錨桿上；通過持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反映：多點位移計當前孔口位移<1mm，監(jiān)測錨桿應力<20MPa，測值較平穩(wěn)。

5 結論

針對此次1#尾水洞上游段Ⅰ層擴挖過程中左側邊墻發(fā)生的破壞進行分析，獲得如下結論：

(1)從地應力條件(最大主應力<15MPa)、強度應力比σc /σ1指標(>6.7)上可以判斷，此處巖體發(fā)生的破壞為巖爆的可能性較小。

(2)從現(xiàn)場所揭示的破壞表面形態(tài)來看，此處巖體并不完整，其內(nèi)分布有兩組明顯的密集結構面，故該處巖體不具備儲存大量應變能和發(fā)生巖爆的巖體結構條件；此外，破壞表面較為平滑與通常所見的巖爆爆坑表面凹凸不平現(xiàn)象不符。從此次破壞巖塊所散落的面積可以推斷，此處巖體破壞時沒有明顯的巖塊拋擲現(xiàn)象。

(3)從現(xiàn)場的破壞形態(tài)上推斷，此處破壞是由于圍巖在開挖后應力調(diào)整的過程中，在切向應力不斷增加的作用下導致的裂紋持續(xù)擴展直至貫通形成塌方的內(nèi)部邊界，并與開挖臨空面構成不利組合所導致的塌方，而并非巖爆。

(4)通過巖體破壞模式識別，并采取工程措施，結合后續(xù)監(jiān)測結果，可為類似地下洞室工程施工提供參考依據(jù)。