层间剪切带对某水电站导流洞围岩稳定性的影响

田　娇　朱金波

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

层间剪切带对某水电站导流洞围岩稳定性的影响

田娇朱金波

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要基于现场调查，分析了某水电站层间剪切带特性，总结了其对导流洞稳定性的影响规律。通过数值计算，分析了层间剪切带对左岸中导洞及导流洞的影响，以及对右岸块体稳定性的影响，为确定该水电站导流洞的合适支护方案提供了依据。

关键词层间剪切带导流洞围岩稳定性

迄今为止，层间剪切带作为一种特殊的软弱结构面，直接威胁坝基、边坡、洞室围岩的稳定性，对工程建设的危害早已引起人们的广泛关注。特别是在水利水电工程中，因为层间剪切带发育而使工程被迫停工、延长施工周期、变更原设计方案，以及后期加固而追加投资等现象时有发生，甚至诱发工程失事的案例也不胜枚举[1]。据不完全统计，国外不少工程由于层间剪切带的危害导致发生了数十起垮坝事件，我国已建成和设计的90余座大坝中，由于层间剪切带问题而改变设计、降低坝高或后期加固的有30余座。因此，深人研究层间剪切带的工程性状与工程灾害问题，对于工程(特别是水电工程)的安全运营具有重大意义。 我国对层间剪切带(有人也称软弱夹层)的研究工作最早可追溯到上世纪50年代，之后，在坝基、隧道、矿山边坡等工程中都遇到过层间剪切带间题，从而引起广泛的注意和重视，其中以水电部门工作最多研究也较深人[2]。目前，关于层间剪切带的研究已从单纯的描述试验进入多学科、多途径、多手段的综合研究[3-5]。本文以某水电站为例，以现场调查及数值计算为手段分析层间剪切带对该水电站导流洞围岩稳定性的影响。

1某水电站层间剪切带特性

普遍发育的层间和层内剪切带是工程中普遍关心的地质缺陷，根据对某水电站平洞内一些现象的观察，认识到层间和层内剪切带的软弱特性控制着变形和破坏，即层间剪切带普遍存在厚度不等、性质差别的软弱充填现象，该现象决定了这些剪切带的软弱特性和潜在工程影响。最突出的是对左岸边坡变形和稳定，其次是在大型洞室的顶拱。此外，局部应力异常将导致应力型破坏，平洞中的片帮除与岩性和埋深存在联系以外，还与层间剪切带之间存在一定的空间关系，剪切带局部地应力异常的工程影响不仅体现在地下工程顶拱一带，在大坝坝基开挖过程中，其潜在影响范围和程度也是需要关注的问题之一。

剪切带在顶拱出露时是否一定造成破坏和潜在破坏范围等受到几个方面因素的影响，如剪切带规律和性状、两侧岩体完整条件、洞室跨度等。由于该水电站绝大多数的剪切带为性状相对较好的层内构造，因此，在很多情况下，剪切带并不一定导致顶拱稳定问题。中导洞开挖揭示了大量的小规模层内剪切带，并不是都导致了顶拱破坏，如图1所示，小规模和性状良好的剪切带在顶拱出露时依然保持良好稳定性。但是，在另一方面，当性状相对较差、且延伸长度较大的剪切带在顶拱被揭露时，围岩即具备发生局部坍塌破坏的基本条件，甚至是现实中几乎不可避免的工程现象。一般而言，工程中没有必要采取措施避免这种局部破坏现象的产生，而是确定一个工程可以接受的破坏范围(如破坏厚度)，作为支护设计的前提条件。比如，如果允许软弱层间剪切带和开挖轮廓线之间2m范围出现垮塌(施工清除危岩范围)，则支护设计针对2m以外、自稳条件可能明显不同的围岩。图2表示了性质软弱、厚度较大的层间剪切带(C2)在中导洞边墙出露的情形，缓倾的层间剪切带在边墙并不具备良好的临空条件，因此可以保持相对良好的稳定性。

图1硬质剪切带不对顶拱稳定造成明显影响的实例

图2　软弱层间剪切带在2号中导洞边墙揭露情况

在地下工程掘进过程中，剪切带软弱特性导致围岩产生变形或破坏之前有可能先经历一个潜在应力型破坏过程，潜在破坏是否变成现实问题取决于几个方面的条件：①应力水平是否相对较高，足以导致岩体的破坏；②岩体特性是否满足应力型破坏条件，如具有脆性特性且强度(应力水平)不是很高。也就是说，即便现实中剪切带周边存在一个倾向于导致应力型破坏的地应力异常带，但并不意味这个异常带一定导致应力型破坏现象。比如，左岸导流洞C2所在部位埋深显著大于C3，在隧洞掘进过程中，C2附近出现了应力型破坏，而C3周边没有观察到这种破坏的迹象。即便在埋深较大的部位如左岸地下厂房，如果剪切带出露在洞室边墙一带时，地下工程开挖以后边墙不出现二次应力集中现象，且垂直向为主、水平相对不高的主应力起到压缩剪切带的作用，此时也不具备导致高应力破坏的条件，使得剪切带在边墙出露时的松弛型块体破坏(临空条件控制)和应力型破坏均不如在顶拱时明显。在应力条件相对易于导致围岩应力型破坏的条件下，围岩是否出现应力型破坏还与岩体结构条件决定的力学特性密切相关。鉴于该水电站两岸地下工程主要处于水平应力为主的条件下，顶拱应力集中是最容易导致应力型破坏的应力条件。 但是，如果岩体脆性特征相对不突出(如角砾熔岩)、或者与围岩中最大主应力近于垂直的陡倾节理(如柱状节理玄武岩)相对发育时，高应力的作用很可能是导致岩体相对均匀地变形、而不是应力型破坏，或者说，应力型破坏程度会相对减弱一些、但变形程度往往更大。

前面已经叙述了针对顶拱应力型破坏的支护和施工技术要求，不过，解决这类问题的最优办法不是支护，首选应是优化开挖布置，如图3所示，通过优化施工支洞布置，使得主洞掌子面从剪切带上盘向着掌子面方向的掘进方式可望有效地减缓潜在应力型破坏的严重程度和施工技术难度。

图3　掘进方向对围岩稳定性影响示意图

2层间带C2对左岸中导洞及导流洞的影响

软弱层间带对顶拱围岩稳定影响程度除受到剪切带规模和性状的影响以外，还与开挖跨度密切相关。导流洞开挖尺寸(跨度×高度=20m×24.5m)比中导洞(跨度×高度=8.5m×7m)明显增大，显然成了设计工作需要考虑的问题之一。由图4和图5可见，洞室规模导致C2部位变形和应力集中的差异：①导流洞全断面开挖后，变形量级总体增大，但边墙仍然相对错动变形小于20mm，稳定性良好；顶拱局部大变形范围明显增大，结构面辅助切割可能形成危岩体，必要时考虑清除；②导流洞全断面开挖后，C2下方高应力集中范围和程度都明显增大。由于顶拱C2下方大变形实际上经历了高应力破坏过程，因此，局部大变形区域的增大和应力集中范围的增大，这一特征指示该部位的局部高应力破裂风险增大；③高应力破裂问题都存在时间效应，因此必须强调支护及时性和系统性。

图4左岸C2部位中导洞图5左岸C2部位中导洞

(上)和导流洞(下)(上)和导流洞(下)开挖

开挖变形对比图顶拱应力集中对比图

3层间带C2对右岸块体稳定性的影响

通常地，软弱层间带在顶拱出露时是否一定造成破坏和潜在破坏性质与范围等受到几个方面因素的影响，如剪切带规律和性状、两侧岩体完整条件、初始地应力条件、洞室跨度等。与左岸1号导流洞C2基本条件不同地，右岸5号导流洞埋深(仅100～130m)明显小于左岸，由于应力水平相对较低，不足以导致明显的应力型破坏，因此在在隧洞掘进过程中C2周边没有观察高应力破坏迹象。当性状相对较差、且延伸长度较大的剪切带在顶拱被揭露时，即具备发生局部坍塌破坏的基本条件，甚至是现实中几乎不可避免的工程现象。但这种破坏可以区别为中高应力条件下的应力型坍塌和中低应力条件下结构面控制的重力型块体破坏。初步判断，右岸5号导流洞出口段C2部位不出现应力型破坏，但可能存在结构面组合下的块体稳定问题。图6表示右岸5号导流洞出口段C2部位定位结构面的切割关系。

图6　右岸5号导流洞出口段C2部位

由图6可见，定位的层内带、小断层并未形成具备独立边界条件的块体。因此，对于潜在的块体稳定问题还取决于次级结构面的辅助切割作用，其包括层面、NW优势节理组和NE优势节理组。由于埋深较小的河谷近岸坡部位，初始应力条件受河谷改造作用明显，在缺乏近区域地应力测量资料的基础上，本项研究工作采用了假设自重应力条件和河谷应力条件2种计算分析。前者最不利于顶拱稳定，而后者不利于边墙稳定。从而，可以从相对极端的假设条件下，分析最不利条件下的围岩稳定特征，成为设计工作的依据。

图7表示，自重应力条件下，顶拱C2下方岩体较大范围变形量较大，特别是次级结构面的辅助切割作用下，使得大变形区域明显增大。

图7　假设重力条件下，不考虑(左)和考虑(右)

图8表示河谷应力条件下的变形分布特征。由于考虑了水平向应力的增大，使得边墙变形整体增大，但受C2和层内带影响的相对错动变形量级仍然较小，受结构面影响的边墙稳定性良好。另一方面，考虑初始应力条件对于顶拱稳定显然是有利的，即使是C2下方的大变形范围和变形量级也有明显减小。

图8　河谷应力条件下，不考虑(左)和考虑(右)

4结论

层间剪切带软弱特性导致的变形和破坏与剪切带的临空条件直接相关，其对工程潜在的影响为：①对顶拱围岩稳定的影响大于边墙，这一特点不仅通过数值计算得以论证，而且在中导洞开挖中得到了揭示；②对顶拱围岩稳定影响程度除受到剪切带规模和性状的影响以外，还与开挖跨度密切相关，这也是设计工作需要研究的问题之一。导流洞全断面开挖后，局部高应力破裂风险增大，必须强调支护及时性和系统性。

参考文献

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[3]孙万和.葛洲坝坝基层间剪切带的模拟研究[J].武汉水利电力学院学报，1991，24(5):495-502.

[4]吴琦等.万家寨水利枢纽区层间剪切带工程地质特征[J].人民黄河，2006，28(11):46-47.

[5]王颂.银盘水电站层间剪切带工程特性与试验研究[J].人民长江，2008(4):18-21.

收稿日期：2014-10-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.037