某电站尾调室顶拱喷层平行轴向裂缝原因分析

敖慧斌,李 扬

（1.二滩水电开发有限责任公司，四川 盐源县 615704;2.成都勘测设计研究院，四川 成都610000）

目前，水电工程中的地下洞室的规模越来越大，地下洞室群的布局和所处的地质环境也越来越复杂。地下工程实践已经揭示了工程围岩破坏可以概括地分为两大类，一类是应力控制型破坏；另一类是块体控制型破坏(也称结构面控制型破坏或重力型破坏)。地下洞室（尤其大跨度地下洞室）围岩的变形与破坏大多受结构面控制，结构面的分布、特征及组合关系是岩体稳定的内在因素，它决定岩体的稳定程度、可能变形破坏的边界条件、方式、规模和特征等。因此，对于不稳定块体影响下地下洞室围岩变形与破坏的重点研究，对地下工程具有重要意义。前人围绕这一问题从块体的定性调查、定性分析预报以及围岩稳定性计算分析进行了许多研究工作。紫坪铺工程1号、2号泄洪洞龙抬头段的塌方调查结果 (宋战平等，2003)也同样说明了这一点。调查结果还表明，在所有塌落块体中受优势结构面和层面切割的结构体占绝大多数。

1 工程地质概况

某电站枢纽主要建筑物由碾压混凝土重力坝，右岸地下引水发电系统、坝身泄洪系统组成。主厂房、主变室、尾调室三大洞室平行布置，轴线方向N5°E，主厂房与主变室间岩柱厚49.2 m，尾调室与主变室间岩柱厚48.8 m。引水洞采用一机一洞布置，尾水调压室采用“两机一室”布置型式，设置两个条型调压室，下室宽度20.00 m，上室宽21.50 m，洞高76.00 m。尾调室及部分主变室置于P2β15-1层灰绿色斑状玄武岩中。孔径法测试表明，厂房区最大主应力σ1方向为N27.3°～53°W，平均值N35.4°W，最大主应力量级 25.0～35.17 MPa。厂房轴线与厂区孔径法实测最大主应力（σ1）方向平均值的夹角40.4°。

2 尾调室开挖揭示的地质条件

尾调室围岩,岩性主要为P2β15-1辉斑玄武岩，为灰绿色，岩石坚硬。岩体较完整、较破碎，以块、次块状、块裂状结构为主，局部裂隙密集带为镶嵌、碎裂结构。岩体呈微—新鲜状态，节理面偶见锈染。局部受错动带影响，错动带及影响带围岩呈弱风化。地下水较丰富。主要发育5组裂隙，N30°～50°W/NE∠75°～85°，对上游边墙的稳定不利；N5°～15°E/SE∠10°～20°对洞室顶拱、上游侧边墙稳定不利；EW/S（N）∠60°～75°；近 SN/W∠55°～60°与其他裂隙组合在顶拱、下游侧边墙可形成不稳定块体，对洞室的稳定不利；N30°～55°W/SW∠35°～50°。共发育9条错动带，平行轴向开裂缝范围发育5条。

3 尾调室顶拱喷层裂缝的概况

在尾调室开挖过程中顶拱部位出现了多次混凝土喷层开裂，其中第一次开裂出现时间为2008年7月份，中导洞上游拱肩部位桩号0+080—0+095 m喷锚混凝土出现与洞轴线近于平行波状裂缝；第二次开裂出现时间为2008年10月份，中导洞顶拱偏下游侧桩号0+095—0+135 m喷锚混凝土出现与洞轴线近于平行波状裂缝，呈断续发展，裂缝开度约3～5 cm，同时出现一条裂缝横穿顶拱，与第一次开裂出现的裂缝基本相连接；第三次开裂出现时间为2008年11月份，S端墙附近桩号0+147—0+165.5 m喷锚混凝土出现横穿顶拱的裂缝，长度约25 m，缝宽1～3 cm，裂缝基本沿错动带（fxt05）出露线展布。从裂缝形态上来看，尾调室顶拱喷层裂缝既有张拉型裂缝，又有剪切型裂缝，或者两者复合型。而这种裂缝形态多样性的同时呈现，预示着尾调室顶拱喷层开裂机制的复杂性。

4 顶拱喷层开裂的影响因素

4.1 施工因素

顶拱喷层第一次开裂出现在第一层上游侧扩挖到桩号0+080—0+095区域，开挖放炮引起的强振动导致围岩强烈的扰动，该区域的监测断面0+095的顶拱监测数据显示了这一扰动后果—孔口位移显著增加，量值达到15 mm左右，位移速率增加到0.36 mm/d，锚杆应力计失效，无任何读数。第二次裂缝出现的时段发生在第二层下卧即中间拉槽爆破的时期，该区域的监测断面0+095的顶拱监测数据显示，孔口位移显著增加，量值达到27 mm左右，位移速率增加到0.3 mm/d，监测断面0+090的顶拱锚杆应力计持续增加到约300 MPa，将超标，预示着实际施加的支护作用已无法承受这种扰动，围岩持续的变形和锚杆应力持续增加将导致应力计失效。从开裂缝的发生、发展及开挖支护的过程来看，这些裂缝开始出现的时段与开裂区施工开挖基本相对应。洞室开挖后破坏了原始应力状态，在应力调整释放的过程中，若没有有效及时的补强支护，洞室周围松弛圈的深度以及塑性区的深度有可能较深，洞室的收敛变形稳定也将是缓慢的。另外明显可见开挖爆破的振动扰动对开裂缝的参数有着非常大的影响，支护不及时也是造成开裂缝很重要的诱因。

4.2 地质因素

尾调室裂隙及错动带发育，错动带出露范围岩体完整性较差，易沿结构面发生掉块。错动带与陡缓倾角节理相交、组合可形成不稳定块体而发生塌方。如错动带fxt06，fxt09与节理③在拱肩及边墙部位相交组合，形成不利洞室稳定的块体；靠S端墙段缓倾节理②、⑤组在顶拱及边墙较为发育，其与陡倾角节理切割易形成不稳定块体。尤其在尾调室上下游侧与洞轴线相交锐角的裂隙、错动带与其余结构面的组合块体。

上下游侧顶拱，由于缓倾角错动带fxt01，fxt05，fxt06在顶拱上方1～3 m内发育，与其它陡倾角错动带、裂隙组合构成块体，开挖后顶拱部位沿错动带结构面大部分已塌落，两侧拱角至拱肩未塌落部分构成不稳定三角块体。随着开挖揭示，针对不同错动带及裂隙组合进行了块体稳定分析，并进行了预应力锚杆和锚索加强支护处理。下游侧厂横0+30—0+124 m，高程1244.5～1241 m由于发育错动带fxt01与裂隙相互挤压构成起伏，厚度变化较大（50～200 cm）的破碎影响带，该带岩体破碎，部分夹有不连续1 cm左右的泥条，性状较差，条带范围内含水较高，呈湿润—浸水，围岩类别为IV类。对拱肩及边墙稳定性不利。该条带第Ⅰ层开挖过程中已大部分揭露。为了适应下卧开挖引起的应力场再次的调整，确保洞室稳定，进行了加强支护处理。

4.3 地应力因素

根据计算以及实际开挖可以看出，目前尾调室开挖中地应力造成的影响应属于无岩爆—弱岩爆。根据实际开挖情况来看：尾调室节理、错动带发育，岩体较完整、较破碎，以块、次块状、块裂状结构为主，局部裂隙密集带为镶嵌—碎裂结构。地下水较丰富，厂横0+125—厂横0+165 m全洞湿润顶拱多处滴水，其余洞室湿润，局部浸、滴水。上述不良地质现象有利于释放地应力。同时开挖过程中、开挖后及支护后也很少发生地应力过大产生的不良现象。加上根据岩爆分级局部可能发生低—中等岩爆以及裂缝的类型来看，也不是岩爆现象。但显而易见，地应力对裂缝肯定存在一定的影响，由于三维状况下的地下岩体，开挖破坏后至平衡的过程中，肯定会发生应力的释放及松弛现象，在这一初始地应力条件上的开挖引起围岩应力调整为顶拱喷层开裂提供了较强的应力基础。另外地应力荷载水平方向较大，且最大荷载方向与洞室轴线斜角约40°，洞室围岩就有可能产生环带状分层变形现象，造成开裂缝的发生。根据上述因素分析，地应力虽然没发生岩爆等破坏现象，但对裂缝的产生仍然起到很重要的原因。

4.4 喷护接缝

从施工支护来看，第一层中导洞开挖喷锚支护与第一层下游侧扩挖喷锚支护，这两次支护存在先后，它们之间的接触部位为喷层的薄弱环节。从开裂缝的发育部位以及现场来看，对于喷护接缝开裂基本可以排除。

4.5 受力不均

另外数值计算表明，上、下游拱肩部位压应力水平差异较大，且下游拱肩压应力明显大于上游拱肩，这种不均匀的压应力状态，并不利于岩拱的荷载传递，对顶拱岩拱的形成产生不利影响；最小主应力显示顶拱部位松弛范围较大且松弛深度在围岩内部影响较深，最大深度可以达到8 m左右，而在顶拱靠近临空面的部位最小主应力接近为零且存在拉应力；从塑性区分布来看，拱座及其以上部位且距顶拱临空面3 m左右范围内存在错动带时，顶拱范围均存在张拉破坏、拉剪破坏或者剪切破坏，这与顶拱喷层裂缝表现形态基本一致；而且还可以发现，当错动带在顶拱或拱肩时，错动带本身也产生了较大范围的塑性区，而由此也会引起沿错动带的滑移变形。

5 结论

根据实际开挖揭露地质情况，对尾调室工程地质概况、开挖揭示的地质条件及尾调室顶拱喷层裂缝的概况进行介绍，从施工因素、地质因素、地应力因素、喷护接缝、受力不均等因素进行了分析探讨，认为顶拱平行轴向开裂缝原因以结构面因素、地应力因素所致。

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