瀾滄江某水電站地下廠房圍巖穩(wěn)定性分析

張永輝，王永彬，郭 松

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京 10024）

本文所述水電站位于瀾滄江上游河段，以發(fā)電為主，兼有旅游、改善流域環(huán)境、促進(jìn)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展等作用。工程等別為大 （2）型二等工程，大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高107 m，樞紐布置方案為 “碾壓混凝土重力壩+壩身孔口泄洪+左岸地下廠房”。大壩、泄水、電站廠房等永久性建筑物為2級(jí)建筑物。水庫(kù)正常蓄水位1 477 m，相應(yīng)庫(kù)容2.93億m3，裝機(jī)容量920 MW。地下廠房頂拱設(shè)計(jì)高程1 438.30 m，開(kāi)挖尺寸204.0 m×26.4 m×67.0 m（長(zhǎng)×寬×高），外邊墻距邊坡水平距離為180～200 m。

1 地下廠房基本地質(zhì)條件

1.1 地形條件

地下廠房布置于左岸山體內(nèi)，左岸山體雄厚，山頂高程大于1 800 m，地表地形陡峻，無(wú)較大深切沖溝發(fā)育。廠房頂部最大埋深380 m，上部微新巖體厚度為200～300 m，屬于深埋隧洞。

1.2 地層巖性

廠房區(qū)基巖巖性為白堊系下統(tǒng)景星組下段的灰白色、灰綠色石英砂巖與紫紅色、灰綠色絹云母板巖不等厚互層， 巖層產(chǎn)狀NE3°NW∠75°～85°， 陡傾下游偏岸外，以微風(fēng)化～新鮮巖體為主，較完整。石英砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度較高，一般達(dá)80～120 MPa，屬堅(jiān)硬巖石；板巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度較低，一般為20～60 MPa，屬于較軟～中等堅(jiān)硬巖石。圍巖巖性整體上以板巖為主，約占60%。砂巖最大單層厚度20 m，板巖一般小于10 m。片理產(chǎn)狀與原始巖層產(chǎn)狀近一致，較為穩(wěn)定。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

廠房區(qū)未見(jiàn)規(guī)模較大的Ⅱ級(jí)以上結(jié)構(gòu)面發(fā)育，Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育較少，Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育較普遍。結(jié)構(gòu)面裂隙主要發(fā)育有3組：①NE0°～20°NW∠83°層面裂隙，其優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為 NE10°NW∠83°；②NW270°～290°NE （SW） ∠70°～90°垂直層理， 為陡傾角結(jié)構(gòu)面，屬硬性結(jié)構(gòu)面，延伸短，不太發(fā)育，裂隙多為巖屑型充填，少量有夾泥現(xiàn)象，其優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為 NW280°SW∠80°； ③NE3°～20°SE∠10°～25°緩傾角裂隙，多張開(kāi)，為硬性結(jié)構(gòu)面，無(wú)充填。其中，①組占裂隙總數(shù)的78%，②組占裂隙總數(shù)的16%。兩組裂隙均為陡傾角，以略傾下游為主?？碧狡巾辖衣兜牧严睹鎻堥_(kāi)度以閉合為主，無(wú)充填，結(jié)合好。張開(kāi)或微張的裂隙面多充填巖屑，結(jié)合差。裂隙面以起伏光滑或平直粗糙、平直光滑為主要特征。

1.4 巖體風(fēng)化

根據(jù)地下廠房勘探平硐物探測(cè)試成果，圍巖聲波平均波速為4 000 m/s，巖體平均完整性系數(shù)KV=0.62。地下廠房圍巖總體上較完整，未發(fā)現(xiàn)有大規(guī)模不利于廠房穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面組合，圍巖以微風(fēng)化～新鮮巖體為主，局部裂隙發(fā)育地段或受構(gòu)造影響巖體表現(xiàn)為弱風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化狀。

1.5 地下水

左岸地下水位高程為1 460～1 510 m，地下廠房頂拱位于地下水位以下50～80 m。勘探平硐揭露，有多處滴水—滲水現(xiàn)象。出水裂隙方位統(tǒng)計(jì)顯示，出水裂隙大多為與巖層產(chǎn)狀基本一致的陡傾裂隙。

根據(jù)壩址區(qū)鉆孔壓水試驗(yàn)成果，微風(fēng)化、微新巖體多屬弱—微透水帶。因此，洞室開(kāi)挖后不會(huì)產(chǎn)生大流量的集中涌水現(xiàn)象，僅在局部張裂隙發(fā)育段或斷層破碎帶有點(diǎn)滴狀地下水或線狀流水出露。

1.6 地應(yīng)力

地下廠區(qū)最大水平主應(yīng)力值為6.0～18.0 MPa，最小水平主應(yīng)力值為4.0～10.0 MPa?？梢?jiàn)，地應(yīng)力對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定危害不大。實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E12°～19°，表明工程區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)以接近S～N向擠壓為主。根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)值，結(jié)合巖石力學(xué)指標(biāo)，定性、定量分析圍巖發(fā)生巖爆的可能性較小。

2 地下廠房圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 地質(zhì)因素分析

影響圍巖穩(wěn)定性的地質(zhì)因素主要包括巖質(zhì)特性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水和巖體應(yīng)力4個(gè)方面。

從工程區(qū)地下廠房洞室圍巖的單軸飽和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)看，石英砂巖屬堅(jiān)硬巖，板巖屬于中等堅(jiān)硬—較軟巖，砂巖段具有一定的強(qiáng)度和厚度，對(duì)圍巖穩(wěn)定有利。板巖段因?qū)颖?，?qiáng)度較低，對(duì)圍巖的穩(wěn)定不利。

該工程廠房區(qū)結(jié)構(gòu)面以Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主，Ⅲ級(jí)以上結(jié)構(gòu)面發(fā)育較少。Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖的影響僅限于結(jié)構(gòu)面兩側(cè)數(shù)米的范圍內(nèi)；Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面根據(jù)其發(fā)育頻度的不同，主要對(duì)圍巖的結(jié)構(gòu)類型有一定影響。對(duì)于砂巖、板巖互層出露圍巖來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)面對(duì)廠房軸線選擇最重要，優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與廠房軸線夾角越大，對(duì)廠房地下洞室圍巖的穩(wěn)定越有利。根據(jù)廠房探洞裂隙統(tǒng)計(jì)分析，廠房區(qū)發(fā)育裂隙的優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?NW350°～NE20°（平均值取 NE10°）， 廠房軸線方向?yàn)镹W315°，結(jié)構(gòu)面走向與廠房軸線的夾角為45°～65°（平均值為55°），呈大角度相交，對(duì)圍巖穩(wěn)定有利。

本工程地下廠房區(qū)地下水不豐富，多以點(diǎn)滴狀滲水或線狀流水為主，大規(guī)模突水、涌水的可能性較小，對(duì)圍巖的整體穩(wěn)定性影響不大。另外，砂巖的水敏性弱，結(jié)構(gòu)面多為剛性結(jié)構(gòu)面，地下水對(duì)其影響不大；板巖水敏性較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)面遇水易軟化、泥化，強(qiáng)度急劇降低。因此，地下水對(duì)板巖段圍巖影響較大。

廠房軸線方向?yàn)镹W315°，實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向按照 NE12°～19°考慮 （平均值取 NE16°），廠房軸線與最大主應(yīng)力夾角為57°～64°（平均值為61°），不利于地下洞室的圍巖穩(wěn)定。但工程區(qū)地應(yīng)力值屬于中等，對(duì)廠房軸線的選擇不起控制作用。

2.2 三維有限元分析

（1）初始應(yīng)力場(chǎng)分析?？蓪⑷S初始地應(yīng)力場(chǎng)看作是由自重應(yīng)力場(chǎng)和各種構(gòu)造場(chǎng)的組合，基于實(shí)測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力值用逐步回歸分析方法求出回歸系數(shù)，從而得到廠區(qū)巖體初始地應(yīng)力場(chǎng)。從地應(yīng)力回歸成果看，實(shí)測(cè)值與回歸值擬合性較好。該水電站廠區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)決非僅由自重應(yīng)力場(chǎng)引起，而構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主要由廠區(qū)主廠房軸線方向和垂直于主廠房軸線方向的構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生，該區(qū)域巖體處于中等級(jí)的初始地應(yīng)力中。

（2）洞室開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力場(chǎng)特征。根據(jù)模擬施工開(kāi)挖過(guò)程，獲得最終洞室施工完成后的盈利計(jì)算成果，毛洞工況下開(kāi)挖完工后主廠房拱頂最大環(huán)向壓應(yīng)力為-18.96 MPa（發(fā)生在2號(hào)機(jī)組剖面），主廠房拱腳最大環(huán)向壓應(yīng)力為-22.40 MPa（發(fā)生在2號(hào)機(jī)組剖面上游拱腳），主廠房側(cè)墻最大環(huán)向壓應(yīng)力為-14.06 MPa（發(fā)生在3號(hào)機(jī)組剖面上游側(cè)墻）。在錨桿及噴混凝土的共同作用下，各洞室上、下游拱腳處以及洞室開(kāi)挖的凹角處應(yīng)力集中有所減緩，主要是由于加錨后約束了洞周的變形，從而減少了圍巖的應(yīng)力集中程度。各洞室圍巖應(yīng)力分布規(guī)律相近，均以壓應(yīng)力為主，拉應(yīng)力出現(xiàn)在局部區(qū)域，但拉應(yīng)力值未超過(guò)巖體的抗拉強(qiáng)度。在各洞室的拱腳處以及洞室側(cè)墻墻角處，應(yīng)力集中較為明顯，但其壓應(yīng)力值都小于圍巖的抗壓強(qiáng)度。

（3）塑性區(qū)變化特征。開(kāi)挖完工后，主廠房塑性區(qū)主要集中在上游側(cè)墻中下部以及與進(jìn)水洞交匯區(qū)域、下游側(cè)墻中部以及母線洞與尾水洞之間的巖柱。主廠房上游側(cè)墻與進(jìn)水洞交匯區(qū)域以及尾調(diào)室上游側(cè)墻中部區(qū)域塑性區(qū)范圍相對(duì)較大，而在洞室頂拱區(qū)域塑性區(qū)相對(duì)較少。

（4）洞室開(kāi)挖后圍巖變形特征。主廠房圍巖總體朝開(kāi)挖臨空面方向變形，各洞周變形符合規(guī)律；主廠房由于開(kāi)挖深度較大以及拱的約束作用，側(cè)墻位移大于拱頂位移；主廠房拱頂最大沉降為1.76 cm（發(fā)生在1號(hào)機(jī)組剖面），主廠房側(cè)墻最大徑向位移為4.42cm。1號(hào)機(jī)組拱頂沉降相對(duì)較大，主要是此處的裂隙密集帶影響所致。

2.3 圍巖塊體穩(wěn)定性分析

地下廠房不存在規(guī)模較大的斷層。即，不存在由Ⅲ級(jí)以上結(jié)構(gòu)面組成的塊體。巖體結(jié)構(gòu)面以Ⅳ級(jí)為主，層間結(jié)構(gòu)面最為發(fā)育，延伸長(zhǎng)，陡傾角；其次為垂直層面的一組，陡傾角；第三為緩傾角裂隙。裂隙面多屬硬性結(jié)構(gòu)面，一般無(wú)充填，少量為巖屑、泥質(zhì)充填。根據(jù)廠房軸線與結(jié)構(gòu)面的關(guān)系以及對(duì)結(jié)構(gòu)面之間的組合分析，對(duì)于頂拱而言，三組裂隙隨機(jī)組合成不穩(wěn)定的矩形體或楔形體，層面及垂直層面的裂隙構(gòu)成了側(cè)裂面，緩傾角裂隙構(gòu)成了不穩(wěn)定塊體的頂面和底面，但體積一般較小。兩端墻板巖集中發(fā)育地帶，由于廠房開(kāi)挖形成臨空面，易向臨空面產(chǎn)生變形以致于折斷，影響圍巖的穩(wěn)定。邊墻部位受層面、垂直層面及緩傾角裂隙的切割形成向洞內(nèi)滑動(dòng)的不穩(wěn)定塊體，局部的這種組合的趨勢(shì)分布范圍較廣，位置一般不太容易確定。

洞室整體和單機(jī)組段的變形、應(yīng)力分布和塑性區(qū)分析結(jié)果表明，地下洞室整體上是穩(wěn)定的。局部穩(wěn)定性較差地段需采取一定的施工處理，如在裂隙密集帶做灌漿處理，在塑性區(qū)采取布設(shè)較大預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索或加密錨桿和增加錨桿長(zhǎng)度等措施，從而保證圍巖的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)巖性組合特征、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特點(diǎn)及地應(yīng)力特征，主廠房軸線位置區(qū)工程地質(zhì)條件較好。

（2）對(duì)圍巖影響較大的地質(zhì)因素主要為圍巖的巖性、結(jié)構(gòu)面的規(guī)模及性狀、地下水和巖體應(yīng)力水平等。

（3）實(shí)測(cè)地應(yīng)力成果及三維應(yīng)力場(chǎng)回歸分析表明，廠房區(qū)地應(yīng)力中等，對(duì)圍巖穩(wěn)定影響不大。洞室開(kāi)挖后，圍巖應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，拉應(yīng)力出現(xiàn)在局部區(qū)域。在各洞室的拱腳處以及洞室側(cè)墻墻角處，應(yīng)力集中較為明顯。

（4）洞室開(kāi)挖后，圍巖向臨空面發(fā)生位移，但位移量不大。洞頂局部受構(gòu)造及裂隙影響，沉降較大。

（5）地下廠房圍巖穩(wěn)定性總體較好，隨機(jī)組合的不穩(wěn)定塊體規(guī)模均不大。