西南某水电站地下厂房顶拱衬砌裂损机理探讨

曾晋 李然

西南某水电站地下厂房顶拱衬砌裂损机理探讨

曾晋 李然

通过对水电站地下厂房顶拱衬砌裂损进行分析探讨,揭示了衬砌裂损的机理,并指出开挖过程中,顺层岩体的顺层滑移产生偏压是主要原因,提出了初步的修复措施,以提高地下厂房围岩岩层的抗弯刚度及强度。

衬砌裂损,偏压,顺层滑移,修复措施

1 水电站地下厂房顶拱裂损概况

该水电站为引水式发电,位于四川省凉山州境内,工程区位于夏炎冬寒的高山峡谷地带,海拔高程 600m～1 400m。

水电站地下主厂房厂纵轴线方位角为 N 70°W,水平埋深175m～195m,垂直埋深 115m～135m的山体内,厂房开挖宽度18.6m,厂房最大高度 39.6m。主、副厂房“一”字形布置,其中主厂房全长 64m,副厂房全长 11m。

地下厂房围岩岩性为震旦系灯影组(Zbd3-1)灰白色细晶白云岩,层状结构,岩层总体产状为 N60°～ 70°E/SE∠30°～ 40°,微倾山外偏下游。层厚一般0.8m～2.0m,部分大于 2m,呈厚层 ～巨厚层状。根据可研阶段试验成果,饱和抗压强度为 Rb=89.65MPa～96.4MPa,为坚硬岩,以Ⅲ类偏差为主。

施工方在进行厂房开挖爆破过程中,发现厂房顶拱中心偏下游部位衬砌混凝土有多处开裂掉块,掉块部位混凝土外层钢筋出露呈“V”字形,且出现有多条沿厂房轴线方向裂缝,并有继续发展的迹象。厂房顶拱衬砌开裂掉块主要集中在拱部右侧拱腰处,从破坏的不对称性看,顶拱受力也是不对称的,说明衬砌具有明显偏压。

2 地下厂房顶拱衬砌裂损机理的探讨

2.1 顺层岩体的滑移作用

层状岩体地下洞室围岩的受力破坏规律如图 1所示,左侧边墙中部一定范围内,岩体单元在最大主应力的作用下,易发生顺层滑移。对于地下厂房左侧边墙(顺倾向侧边墙)的岩体,顺层滑动可以直接导致岩块向洞内松动、下滑;而右侧边墙(反倾向侧边墙)的岩体,岩体的顺层滑动由于受深部岩层的约束,岩体相对较稳定;拱部左侧的岩体最大主应力与层面垂直,其破坏的可能性最小,只能发生剪断破坏;拱部右侧的岩体,由于最大主应力平行层面,易发生顺层面的滑移,对于围岩强度较低的无支护洞室极可能发生弯折破坏,对于岩体强度较高或者有支护洞室,往往拱腰部位支护发生压曲破坏。

而本工程地下厂房围岩岩层总体产状为 N60°～70°E/SE∠30°～40°,岩层走向与路线走向交角为 5°～20°,倾向厂房右侧,岩层层理发育,层面顺直、光滑。由于岩层走向与倾角不利,加之层理发育,左侧边墙岩块向洞内松动,拱部右侧拱腰形成顺层滑移引起偏压从而挤压右侧衬砌发生破坏。同时也说明了引起洞室偏压的因素不单单是上覆地形因素,地质构造作用也是至关重要的。

2.2 顺层挤压错动带的影响

厂房顶拱衬砌完毕后,开始进行第Ⅱ层、第Ⅲ层开挖,开挖至591m高程,在上下游边墙各出露一条沿岩层层面发育的顺层挤压错动带 f1,f2,具体见图 2。

出露于左侧边墙的 f1倾向边墙临空面,倾角 30°～40°,在边墙上出露长度约 37m(随着向下开挖有继续延伸迹象),受风化、溶蚀影响及次生充填物,带内物质性状差,另外还普遍存在宽2 cm～6 cm,局部宽 20 cm～30 cm的空缝。上述表明 f1对内侧边墙稳定极为不利。出露于右侧边墙的f2顺层挤压错动带整体视倾山外偏下游,延伸长度约 37m,带宽一般 0.5 cm～5 cm,局部可达 10 cm～20 cm,错动带性状差。

左侧边墙错动带层面倾向厂内,这样不但助长了拱部顺层岩体的滑移,而且会导致拱座内移,压缩拱轴向变形,使得拱在下游1/4处的内力增大,如图 3所示。

2.3 施工对地下厂房顶拱衬砌裂损的影响

地下厂房顶拱、边墙开挖质量较差,超挖量大,壁面凹凸不平,根据施工提供的实测资料,顶拱局部地方超挖达 3m左右。部分实测开挖断面见图4。

从图 4可以看出：开挖过程中超挖的部位主要集中在顶拱的左侧部位,衬砌前由于回填不实,围岩变形时可能对左侧衬砌产生冲击,使得顶拱左侧拱座承受的力大于右侧拱脚,加之顺层结构面的存在,助长了左侧拱座向洞滑移,导致右侧拱腰内力过大。其作用与前面论述的顺层挤压错动带的影响基本一致。

在图 4中,右侧顶拱再开挖过程中有尖角产生,这对围岩受力很不利,甚至会造成混凝土衬砌拱的某些部位应力集中,当应力集中程度超过混凝土强度时发生开裂,并且因超挖过多的部位,外露锚杆与顶拱钢筋网无法焊接(也未用弯钩钢筋搭接),导致锚杆外露段浇筑在素混凝土中,未与顶拱钢筋网形成整体受力。地下厂房顶拱产生裂缝不排除这个因素。

3 地下厂房顶拱衬砌裂损修复措施

左右侧边墙实施预应力锚索加固,穿过层面滑动带。同时对边墙上较破碎的岩石(主要集中在滑动带洞段)进行固结灌浆。

对拱部右侧围岩进行加固防止岩体顺层滑移挤压衬砌。具体措施是在右侧拱腰位置安设了基本垂直岩层层面的加密加长锚杆,通过锚杆的轴向作用力将岩层各分层夹紧,增强各分层岩体间的摩擦,抑制岩体下滑。并借助锚杆自身的横向承载能力提高岩层各分层间的抗剪切强度以及层间粘结程度,使各分层在弯矩作用下发生整体弯曲变形,呈现出组合梁的弯曲变形特征,从而提高岩层的抗弯刚度及强度。

顶拱混凝土衬砌裂损处的修复必须在边墙和围岩加固处理完成后才能进行。对于掉块但没有出露钢筋的部位,将掉块周边切割成规则形状,将缺陷处凿至混凝土密实处,清洗干净表面,采用聚合物砂浆进行表面压实抹平修补。如果凹腔内有裂缝的要钻孔灌环氧材料至密实。若掉块处已露钢筋,周边切割成规则形状,将缺陷处凿至混凝土密实处钢筋以内至少 5 cm,清洗干净钢筋与凿除后的混凝土表面,采用聚合物砂浆进行压实抹平修补。如果凹腔内有缝的要钻孔灌聚合物砂浆至密实。顶拱内层钢筋受压变形,并呈“V”字形的,已经屈服破坏,不能再作为受力钢筋,在修补混凝土前,可以先开槽粘锚钢板带,以补充受损钢筋。

对开裂但还未掉块、已经开裂翘起的部位,将压坏的混凝土全部凿除,裂缝先钻孔灌环氧材料至密实,凹腔处用环氧材料压实抹平修复。

4 结语

本文对西南某水电站地下厂房衬砌破坏段的分析,揭示了地下厂房衬砌裂损的机理：1)对于偏压地下洞室,影响洞室稳定的主要因素除了地形偏压的影响外,更重要的是地质构造偏压的影响;2)从顺层岩体洞室围岩受力情况看,对于地下厂房拱部围岩,拱部左侧岩体最大主应力与层面垂直,其破坏的可能性最小,拱部右侧岩体,由于最大主应力平行于层间结构面,易造成顺层滑移,对于围岩强度较低、无支护洞室极可能发生类似于板的弯折破坏,对于岩体强度较高或者有支护洞室,往往拱腰部位支护发生溃屈破坏;3)水电站地下厂房,在施工中,重点加强的部位是右侧拱部和左侧边墙,以减弱偏压对围岩稳定的不利影响;4)水电站地下厂房衬砌裂损是由于顺层岩体产生顺层滑移挤压衬砌,同时是地质缺陷、设计参数、不良施工等因素共同作用的结果。

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Discussion on themechanism of a southwest hydropower station underground workshop roof arch lining crack and damage

ZENG Jin LI Ran

Through the discussion and analysis of hydropower station underground workshop roof arch lining crack,reveals the mechanisms of arch lining crack and damage,and points out that thebias p roduction of bedding slidingof the layerof rock is themain reasons,puts forward the prelim inary repairmeasures to imp rove the stiffness and strength of underground powerhouse rock strata.

lining crack and damage,bias,bedding sliding,repairmeasures

TU923

A

1009-6825(2011)09-0094-02

2010-11-25

曾 晋(1983-),男,硕士,助教,成都理工大学工程技术学院土木工程系,四川乐山 614000

李 然(1982-),男,硕士,助教,成都理工大学工程技术学院土木工程系,四川乐山 614000