青龙水电站引水隧洞花岗斑岩蚀变对围岩稳定性的影响

江国勇，姚鹏程，李剑锋

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 工程概况

青龙水电站位于四川省阿坝州九寨沟县境内，属黑河-白水江干流水电规划“一库七级”开发方案中的第七级电站，利用落差约110m，装机容量102MW。电站由首部枢纽、引水系统及厂区枢纽组成。引水隧洞为有压隧洞，全长13.924 km，纵坡i=1.7‰。隧洞断面型式为马蹄形，开挖断面尺寸(Ⅲ～Ⅴ类围岩):底宽6.7～7.57m，高8.85 ～9.9m。

引水隧洞位于白水江左岸，隧洞穿越区山体雄厚，地形陡峻，较完整，发育木正沟、抹地沟、大坝沟、牧马沟、梨儿沟5条冲沟，其中抹地沟切割深度大，常年流水，其余冲沟切割深度较小、纵坡降大。沿线分布有荷叶坡、魏家半山堆积体，其余地段多为基岩裸露。勘探揭示荷叶坡堆积体厚约120～270m，魏家半山堆积体厚60～180m。

2 基本地质条件

花岗斑岩侵入体主要分布于4～5#支洞(7+400～12+490，段长5090m)，该洞段水平埋深300～500m，垂直埋深300～700m。地表出露基岩地层以中厚层～厚层灰岩与薄层～薄板状灰岩相间出露为主导，局部地段有2～5m宽花岗斑岩岩脉顺层分布，地层总体产状N25°～40°W/SW(NE)∠60°～80°。开挖揭露该段围岩以花岗斑岩及花岗斑岩岩脉夹薄板状灰岩捕掳体为主，部分为极薄层灰岩，少量为中厚层灰岩。花岗斑岩岩体中主要发育4组优势节理:①N35°～50°W/SW∠60°～75°，迹长一般为 2～3m，间距 0.3～0.6m，裂隙面较平直光滑，沿裂隙蚀变强烈，多张开并充填蚀变物，少数裂隙被石英充填胶结;②N60°～70°E/SE∠60°～80°，迹长一般为1 ～2m，间距0.3～0.5m，沿裂面弱 ～中等蚀变，较平直光滑;③N45°～55°E/SE∠60°～65°，迹长一般为1～2m，间距1～2m，裂面弱～中等蚀变、起伏光滑、微张;④EW/N∠20°～45°，迹长一般为 0.5 ～1m，间距为0.2 ～0.4m，结构面弱蚀变、粗糙起伏、微张。

段内地下水为基岩裂隙水、活动差异较大，7+400～9+400洞段地下水活动较强，以渗滴水为主，部分为渗流水及股状水;11+190～12+490段段内地下水活动弱，部分渗滴水。

3 花岗斑岩蚀变对围岩力学特性的影响

3.1 矿物组成与蚀变

3.1.1 岩石力学强度有较大程度降低

经对试验成果进行分析得知，蚀变花岗斑岩的蚀变程度对岩石强度影响很大。微蚀变花岗斑岩的单轴抗压强度为131.81～150.59MPa，抗拉强度为14.17 ～16.19MPa，属极坚硬岩;弱蚀变花岗斑岩单轴抗压强度为72.15～94.3MPa，抗拉强度为7.76～10.14MPa，其强度较微蚀变花岗斑岩降低42%，但仍属坚硬岩;中等～强蚀变花岗斑岩岩体破碎，取样困难，未进行试验工作，该类岩石软弱物质含量较高，岩石强度低，锤击哑声，属软岩类。

图1 引水隧洞7+400～12+490段高程1245m花岗斑岩分布平切面图

3.1.2 围岩松弛圈明显增大

经对现场试验成果进行分析得知:花岗斑岩的蚀变程度不同对围岩松弛圈、力学强度影响较大。微蚀变花岗斑岩岩体较完整，松弛圈深度多小于1m，平均波速2300m/s;弱蚀变花岗斑岩岩体完整性差，松弛圈深度一般为1～1.5m，平均波速1900m/s;中等～强蚀变花岗斑岩岩体破碎，松弛圈深度一般为2～2.5m，平均波速1600 m/s。

3.2 蚀变花岗斑岩围岩类别

开挖揭示的花岗斑岩受构造改造强烈，岩体破碎～较破碎，并沿裂隙发生弱～中等蚀变，岩块嵌合差，部分洞段地下水活动较强。根据《水力发电工程地质勘察规范》GB50287－2006中围岩工程地质分类标准对蚀变花岗斑岩洞段围岩进行分类评判，其成果表明(表1):地下水活动较弱的弱蚀变花岗斑岩段围岩类别为Ⅳ类，地下水活动较强的弱蚀变花岗斑岩段及强蚀变花岗斑岩及蚀变破碎带围岩类别为Ⅴ类。

表1 蚀变花岗斑岩围岩类别成果表

4 花岗斑岩蚀变对围岩稳定的影响及处理

开挖揭露的花岗斑岩(岩脉)发生非整体性蚀变，蚀变集中于裂隙面上，以弱～中等蚀变为主。由于裂隙发生“高岭土化”现象较为普遍，其结果将不同程度地降低结构面抗剪强度及岩石强度，尤其是团块状“高岭土化”现象的存在对隧洞围岩的稳定性影响较大。在隧洞开挖过程中，蚀变花岗斑岩围岩常遇到的变形破坏形式为:塌落掉块、围岩变形及隧洞塌方。笔者就3种主要变形破坏形式的形成机理及主要处理叙述如下。

4.1 塌落掉块及处理

蚀变花岗斑岩围岩完整性差，岩体中节理裂隙发育且相互切割，在隧洞顶拱及拱腰部位多形成楔形块体及三角体。开挖爆破后围岩松动，加之结构面蚀变后其抗剪强度低，岩块在山岩压力及楔形块体自重应力作用下产生塌落掉块现象。

此类型的塌落掉块在该洞段较为普遍，虽对洞室围岩的整体稳定影响较小，但对施工安全产生了一定的隐患。故开挖后及时对围岩喷射了厚10～15cm的混凝土进行封闭，有效地阻止了松动岩块的进一步变形破坏。为保证施工安全，随后进行挂网、立钢拱架等强支护。

4.2 围岩变形及处理

蚀变花岗斑岩岩体较破碎，且裂面蚀变较强，其抗剪强度低，围岩自稳能力差。洞室开挖后破坏了初始的地应力平衡状态，引起应力重分布，促使围岩向临空面卸荷松弛，表现为沿蚀变裂隙面的变形错动。该变形的时效性较短，围岩不稳定，故对此类围岩一般采用短进尺、弱爆破、强支护的工程措施。支护方式为先喷混凝土封闭围岩后、挂网、立钢拱架支撑、再喷混凝土封闭钢拱架及钢筋网。在完成初期支护后，选取典型洞段进行收敛变形观测。

此类围岩在初期支护后，部分洞段变形进一步扩展，造成初期支护不同程度的开裂、鼓包、变形错位并在一定程度上侵占设计断面。根据收敛变形数据及现场调查结果得知，其变形较大部位主要集中在拱腰及钢拱架连接处，少量钢拱架连接处被扭曲或剪断错位。为确保围岩稳定和施工安全，对变形段进行了二次加固补强处理，首先对变形段先期进行预固结灌浆后，再置换变形的钢拱架，喷混凝土并增加拱架锁固锚杆。对变形尚未趋于稳定的岩体，及时采取浇筑混凝土进行衬砌，从而有效地保证了围岩的稳定。工程实践证明，通过采取一系列工程处理措施，有效地阻止了围岩变形的进一步扩展。

4.3 隧洞塌方及处理

蚀变花岗斑岩(岩脉)洞段内，少量强蚀变集中发育在拱腰及顶拱集中出露处，由于其岩体结构破碎，围岩极不稳定，开挖后立即发生坍塌;花岗斑岩夹薄板状灰岩捕掳体间的接触面及花岗斑岩中蚀变裂隙密集带岩体较破碎，围岩自稳能力差，开挖后易沿其接触面及蚀变结构面变形错动，如遇地下水活动强烈，开挖后(约1～2d)发生坍塌;该类塌方规模较小，但因其地下水活动强烈，在地下水的进一步作用下，引起周围岩体失稳，从而造成较大规模的塌方;另外一类塌方是开挖后经及时有效的初期支护手段，围岩尚能基本保持稳定，但在围岩后期的持续变形扩展作用下，初期支护结构逐渐被破坏，从而发生规模性塌方，此类塌方规模及破坏性极大，对施工安全及工程进度影响极大。

根据塌方规模及不同的塌方情况，分别采取了以下处理措施:(1)对于规模较小的塌方，待塌方稳定后，采取先喷混凝土封闭塌方临空面，再进行钢拱架、系统锚杆支护，对部分塌方体较高处辅以副拱支护。(2)对于规模较大但顶拱塌方空腔出露的塌方，待塌方稳定后，先采取喷混凝土封闭塌方临空面再出渣，并及时进行钢拱架、系统锚杆支护。(3)对于规模较大且顶拱封闭的塌方，待塌方稳定后，先对拱顶120°范围打超前小导管，并对塌方渣体进行预灌浆固结，边墙部位增加长锚杆进行加固，再遵循短进尺的原则开挖塌方体，并及时采用小间距钢拱架、系统锚杆支护。塌方处理完毕，及时进行混凝土浇筑。

5 结语

青龙水电站引水隧洞揭示的花岗斑岩在特定的地质时期发生了蚀变、风化现象，导致其物理力学性质弱化、降低，通过对其蚀变、风化机理的研究，认识到花岗斑岩因蚀变、风化而不同程度地导致洞室围岩的工程地质分类等级降低，通过采取系列技术手段，分析研究了蚀变花岗斑岩对洞室围岩稳定性的影响，实施了适当的加固防护措施，有效地保证了施工安全、洞室稳定，提供了良好的工程地质专业服务。