高地应力条件下锦屏一级水电站地下厂房围岩变形破坏特征研究

陈长江，刘忠绪，刘建友

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都　610072; 2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京　100029)



高地应力条件下锦屏一级水电站地下厂房围岩变形破坏特征研究

陈长江1，刘忠绪1，刘建友2

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072; 2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029)

锦屏一级水电站工程地质条件极其复杂，其中高地应力引起的围岩变形破坏是电站地下厂房最主要的工程地质问题，高地应力对相对低强度岩体的破坏超出了现有经验认知。本文主要介绍锦屏一级水电地下厂房开挖期围岩变形破坏现象，结合地质编录、物探检测、监测等资料，总结地下厂房洞室群围岩变形开裂特征及发展过程。地下厂房洞室群围岩变形破坏机理复杂，与岩体强度、应力场分布、岩体工程地质特性、洞室群规模和形状、开挖方式、支护时机和强度等多种因素有关。找出变形开裂的规律和原因，确定变形破坏范围，对下一步工程的支护设计和施工具有十分重要的意义，也可为类似高地应力区大型地下洞室工程的施工及设计提供参考。

锦屏一级水电站；地下厂房洞室群；地应力；变形破坏；成因机理分析

0　前　　言

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县和盐源县交界处的雅砻江大河湾干流河段上，是雅砻江干流下游河段的控制性水库梯级电站。坝址位于普斯罗沟与手爬沟间1.5 km长的河段上，河流流向约N25°E，河道顺直而狭窄。电站总装机容量3 600 MW，年发电量166.20 亿kW·h。最大坝高305 m，为目前建成的世界第一高拱坝。地下厂房位于大坝下游约350 m的山体内，水平埋深约110～300 m，垂直埋深约180～350 m。地下厂区洞室群规模巨大，长276.99 m，吊车梁以上开挖跨度28.90 m，吊车梁以下开挖跨度25.60 m，开挖高度68.80 m。主变室位于主厂房下游，长197.10 m，宽19.30 m，高32.70 m，厂房和主变室之间的岩柱厚度为45 m。洞形为圆拱直墙型。尾水调压室采用“三机一室一洞”布置型式，设置两个圆型调压室，直径(上室)分别为37.00 m、41.00 m，高度分别为80.50 m、79.50 m；两调压室中心线相距95.1 m。厂区主要建筑物布置见图1。

构造应力和自重应力叠加，导致锦屏一级地下厂区初始地应力量级高，最大主应力一般20～30 MPa，最高37.5 MPa。由于复杂的洞室结构、超高应力、较低的岩石强度等因素的影响，开挖期厂房围岩出现了较为严重的片帮、劈裂、剪切滑移等破坏，即使在系统支护后围岩破坏仍在发展，喷层严重开裂、岩体破裂，围岩松弛深度大，不得不进一步加大了支护。本文通过综合分析现场施工地质编录、物探检测以及变形监测资料，总结锦屏一级水电站厂房围岩变形破坏的特征，并讨论围岩变形破坏的形成机制，为今后其它高地应力条件下大型地下洞室稳定性研究、施工开挖方式研究及支护设计提供参考。

图1　厂区主要建筑物布置三维示意

1　地下厂区基本地质条件

1.1地层岩性

厂区洞室群置于三叠系中上统杂谷脑组第二段第2、3、4层大理岩内(见图2)，第2层既有中～厚层状大理岩，又有薄层状大理岩，夹顺层绿片岩，中硬与坚硬岩相间分布;第3层以条纹状大理岩、同色角砾状大理岩为主，夹极少量薄层绿片岩，岩体多呈厚层～块状结构;第4层岩性为杂色角砾状大理岩、灰白色大理岩，零星分布透镜状绿片岩。分布有一条后期侵入少量云斜煌斑岩脉(X)，一般宽2～4 m，总体产状N60°～80°E/SE∠70°～80°，厂区煌斑岩脉明显有断层错动迹象，脉体一般破碎，自稳能力差。

图2　锦屏一级地下厂房工程地质纵剖面示意

1.2地质构造

地下厂房发育有NE向的f13、f14、f18等断层，f13断层斜穿过厂房安装间部位，断层带起伏，总体产状N60°～70°E/SE∠60°～80°，走向与厂房洞轴线夹角约50°，主错带宽1～2 m，最宽达3 m，主要由碎裂岩、角砾岩、糜棱岩构成；f14断层大角度穿过主厂房、主变室，产状N60°～70°E/SE∠70°～80°，破碎带宽度0.2～3.5 m不等，上下盘影响带宽度一般3～5 m，局部影响范围则近20 m，风化较强，岩体呈黄色；f18断层沿煌斑岩脉与大理岩接触面发育，大角度穿过副厂房、主变室，产状N70°E /SE∠70°～80°，带宽20～40 cm，主要由灰黑色糜棱岩、角砾岩组成。

优势裂隙主要发育有4组：(1)N30°～60°E，NW∠30°～40°，层面裂隙，主要分布于大理岩第2层内；

(2)N50°～70°E/SE∠60°～80°，地下厂区均有发育；

(3)N25°～40°W/NE(SW)∠80°～90°，主要见于安装间部位;

(4)N60°～70°W/NE(SW)∠80°～90°，发育少，但延伸较长，个别张开0.5～3 cm，最大张开可达20 cm，该组裂隙走向与厂房、主变室边墙近平行，对边墙稳定不利。

1.3地应力

锦屏一级水电站坝址区谷坡高陡，相对高差1 500～2 500 m，构造应力场以NW～NWW向为主压应力场，构造应力与高自重应力叠加造成天然状态下地应力量值高，且分布不均一。

厂区实测地应力表明：地下厂区属于高地应力区，最大主应力σ1值超过30 MPa，σ1的方向比较一致，与雅砻江岸坡走向大角度相交，与厂房轴线在水平面上小角度相交，略偏下游，与区域应力场方向基本一致。σ1的倾角变化较大，最小4.5°,最大87.9°，但总体上中缓角度倾向雅砻江。中间主应力σ2量值一般10～20 MPa，在不同的区域，方向不同。在水平埋深小于200 m的区域方向一般近SN向，与厂房轴线夹角较大，中等倾角倾向上游，对厂房、主变室等洞室围岩稳定影响较大。右岸三向主应力分组统计见图3。

图3　右岸三向主应力分组统计

地应力随埋深成“驼峰状”分布(见图4)，在水平深度100 m以外，最大主应力σ1为12.96～15.42 MPa；100～350 m之间最大主应力σ1为16.13～35.7 MPa；350 m以里应力趋于平稳，最大主应力σ1为23.02～27.11 MPa。地下厂区正好位于“驼峰”应力区。

图4　地下厂区主应力值与水平埋深关系

结合地下厂区地应力实测结果和岩体强度分析，锦屏一级厂房洞室群多数岩石强度应力比(Rb/σm)约1.5～4，可以判定为高～极高地应力区。原始处于高围压状态下的岩体，开挖后向临空面卸荷回弹强烈。

2　施工期围岩破坏特征

地下厂房洞室围岩破坏具有浅表岩体破坏强烈，深部岩体劈裂，围岩松弛深度大，且变形有明显的时效特性。

2.1洞壁浅表部破坏

浅部破坏现象主要指表部直接观察到的岩体破坏现象。

锦屏一级地下厂区各洞室岩体完整性较好，嵌合紧密，爆破后半孔率多在90%以上，开挖面总体成型良好，但在滞后一定时间后开挖面就出现了破坏现象：①片帮剥落;②卸荷回弹、错动;③局部劈裂破坏;④弯折内鼓。

(1)片帮剥落。片帮一般伴随开挖发生，或开挖后滞后数小时出现。主要出现于厂房、主变室等垂直河流向洞室的下游侧拱座附近，以及压力管道下平段、母线洞、尾水管等顺河向洞室的外侧拱座附近。上述部位片帮现象较普遍(断层破碎带部位除外)。在厂房、主变室下游侧拱座附近片帮厚一般20～30 cm，最厚50～70 cm；尾水连接管、压力管道下平段顶拱外侧片帮厚度一般30～50 cm，最厚60～70 cm。

(2)卸荷回弹、错动。厂房上游边墙约1 654.5 m高程(厂房开挖到第Ⅳ层开始出现)以下至底板，该范围内每一层开挖后下部岩体普遍卸荷回弹破坏，形成大量板状、鳞片状岩板(片)。破裂面起伏，粗糙，产状一般N50°～70°W/NE∠40°～50°，走向与开挖面近平行，倾向洞内，类似“叠瓦”式层层破坏，破裂形成的岩板(片)层厚5～30 cm不等。

厂房下游边墙局部(主要分布于0+020～0+060 m，高程1 657～1 625 m区域)岩体卸荷开裂，或原裂隙卸荷张开，裂缝产状N30°～80°W/SW∠50°，走向与边墙小角度相交，倾向洞内。与上游边墙形成类似“叠瓦”式层层破坏不同，下游边墙多以单条裂缝形式出现，且延伸长。

此外，安装间内端墙、每一层开挖后留下的保护层，由于岩体失去侧向约束，岩体卸荷上台，形成张开水平裂缝；压力管道、母线洞内侧边墙下部也有这种现象，主要是置于完整岩体洞室，如5号、6号压力管道下平段，3～6号母线洞后段内侧边墙下部。

局部错动现象观察到的较少，在厂房上游边墙0+150 m附近EL 1 654～1 650 m，主变室下游边墙0+15 m附近，岩层沿岩层面逆错，错距约5 cm。

(3)岩体劈裂。开挖过程中岩体劈裂出现部位主要见于厂房、主变室等垂直河流向洞室的下游侧拱座附近，以及母线洞、尾水管等顺河向洞室的外侧顶拱和内侧下部。劈裂缝方向一般与开挖面近平行，起伏、粗糙，多是开挖一段时间后岩体二次应力集中，导致局部岩体劈裂形成。

地下厂房第3层(岩壁吊车梁)开挖完成后，在整个主机间下游拱腰(高程1 670～1 672 m范围)出现喷层裂缝，在钢筋肋拱部位可见钢筋受压向厂房内弯曲变形。

在2009年3月，对厂房下游侧拱腰纵0+132～0+185 m段、高程约1 670～1 671 m范围内的开裂喷层进行了人工清撬，将混凝土喷层剥开后发现，顶拱混凝土喷层与岩面脱开，内部原新鲜完整的大理岩脆性破坏严重，破坏形式以劈裂、弯折为主，局部压碎，呈10～20 cm厚的不规则板状或碎块状，板状破裂面新鲜，较平直，产状一般N50°～60°W/NE∠30°～40°，即在拱腰部位劈裂形成的岩板与开挖面近平行(见图5)，局部层面裂隙发育部位还可见沿层面张开。现场调查还见钢筋肋拱受挤压向洞内弯曲现象(见图6)

厂房、主变室下游拱腰部位围岩破裂形式如图7所示。

图5　岩体劈裂、弯折

图6　钢筋肋拱挤压弯曲

图7　厂房下游拱腰岩体劈裂、喷层脱落示意

(4)岩层内鼓弯折。这类变形破坏主要见于压力管道下平段、母线洞等顺河向洞室的外侧顶拱，由于这些洞室轴向与岩层走向近平行，而与最大主应力近正交，因此在薄层状大理岩构成的洞室中，外侧顶拱岩层在高地应力作用下向洞内弯曲，甚至折断，致使洞室外侧拱超挖，成型差，影响围岩稳定(见图8)。

图8　母线洞外侧拱、内侧下部岩层内鼓弯折示意

(5)综合上述围岩破坏现象，地下厂房洞室群围岩变形开裂现象有如下特点：

①垂直河流向的洞室：围岩变形开裂现象主要出现在下游侧顶拱和上游侧边墙，如图9所示。厂房、主变室下游顶拱，无论开挖过程中还是支护后破坏都较明显，开挖过程中片帮剥落，支护后最早发现混凝土喷层开裂。而厂房上游边墙岩壁吊车梁以下开挖期表部岩体普遍出现了卸荷回弹破坏；

②顺河向的洞室：围岩变形开裂主要出现在外侧顶拱和内侧下部，开挖期外侧顶拱片帮剥落，或内鼓弯折，内侧壁下部劈裂、松动碎裂，支护后局部仍有劈裂破坏。

图9　厂房围岩破坏最强烈区域示意

2.2围岩深部劈裂

厂房、主变室围岩深部拉裂破坏一是可以从副厂房连接洞、出线下平洞、母线洞等与厂房轴线垂直的洞室中直接观察到，二是通过物探声波、摄像成果，并用变形监测资料加以佐证。

副厂房联系洞、出现下平洞等洞室轴线方向与厂房边墙垂直，洞室内发育的裂缝可以反映厂房边墙深部开裂现象。据现场裂缝编录资料，裂缝发育的范围距厂房或主变室边墙一般6～10 m，最大距离约17 m，裂缝一般平直，近直立，贯通性好，总体上走向与厂房、主变室边墙近平行，张开1～5 mm，最宽约10 mm，无错动、错台现象，显明显张性特征(见图10)。裂缝的产生是围岩在高地应力作用下产生的劈裂破坏。根据副厂房联系洞裂缝发育情况判断，厂房下游边墙围岩松弛深度为15～17 m左右，主变室上游边墙围岩松弛深度为10 m左右；而出线下平洞环向裂缝显示主变室下游边墙围岩开裂深度在9～12 m。

图10　副厂房下层联系洞喷层裂缝素描

施工期针对厂房、主变室围岩变形破坏，进行了单孔声波测试和钻孔摄像，成果显示在厂房上下游边墙深部均有岩体开裂现象，在钻孔图像上可以直观的看到岩体劈裂缝，在波速曲线上则表现为低波速点，如图11所示，边墙浅部裂缝密度较大，裂缝较发育，间距一般小于30 cm，岩体结构已经发生改变，多呈板状，而深部裂缝间距较大。裂缝方向一般与开挖面近平行，断口新鲜，粗糙，典型如图12所示。

图11　厂房典型声波曲线与孔内成像对比

图12　典型深部岩体劈裂孔内成像

根据物探现场编录、波速曲线和钻孔图像以及变形监测成果分析，主厂房下游侧拱座附近岩体松弛深度7～12 m，其中强松弛深度4～8 m，边墙一般8～13 m，最深16.5 m，其中强松弛深度一般约4.4～6.2 m，最深约9 m；上游侧拱座附近松弛深度1.2～3.4 m，边墙9～17 m，其中强松弛深度约4～8 m。主变室上游边墙岩体松弛深度8～17 m，最深约18 m，其中强松弛深度一般4～8 m，最深10.6 m；下游边墙松弛深度6～10 m，最深约15 m，其中强松弛深度2.4～6.4 m。主厂房、主变室的下游侧拱座附近洞壁浅表(深度2 m左右)岩体基本破坏，失去承载能力，如图13所示。

图13　锦屏一级地下厂房围岩松弛深度示意

2.3围岩破坏与时间的关系

地下厂区洞室围岩变形虽与开挖有关，变形曲线有台阶式发展，但与一般低应力区不同，即使在开挖停止后围岩变形仍在持续(见图14)。

图14　厂房下游边墙典型位移-时间过程曲线

从图上可以明显看出，围岩变形不但和洞室开挖密切相关，而且在停止开挖期间围岩变形仍在持续发展，开挖后围岩变形趋于收敛的时间较长。2009年5月中旬到2009年10月中旬(厂房开挖至第Ⅷ层)，地下厂房三大洞室停止开挖施工，进行全面系统补强加固处理，厂房围岩变形监测成果统计表明，开挖停止期间，厂房在59套多点位移计中有26套多点位移计表面位移增量大于2 mm，4套增量位移在5～10 mm之间，8套增量位移大于10 mm，位移增速在0.43～3.57 mm/月内变化，最大增速为3.57 mm/月。厂房Ⅰ～Ⅶ层开挖期间主厂房测点变形速率小于1 mm/月的测点为36个，占总数的61.02%；变形速率在1～3 mm/月的测点为11个，占总数的18.64%；变形速率在3～5 mm/月的测点为5个，占总数的8.47%；变形速率大于5 mm/月的测点为7个，占总数的11.86%。停止开挖期间主厂房测点变形速率小于1 mm/月的测点为54个，占总数的91.53%；变形速率在1～3 mm/月的测点为1个；变形速率在3～5 mm/月的测点为4个，开挖停止期间较Ⅰ～Ⅶ层开挖期间的测点变形速率相对变缓。围岩在停止开挖、支护后变形逐步趋缓，经过较长时间才逐步收敛。

3　围岩变形破坏成因机理分析

洞室群围岩变形破坏的过程是一个十分复杂的二次应力应变场适应调整过程，地下洞室下挖后，岩体中形成一个自由变形空间，使原来处于挤压状态的围岩，由于失去了支撑而发生向洞内的松胀变形，并引起相应范围内围岩产生应力重分布，重分布应力可能在某些部位产生应力集中，当应力的集中程度超出了围岩强度，或者变形超过了围岩本身所能承受的能力，则围岩就要发生破坏。

(1)高地应力与岩体强度之间的矛盾是厂区围岩变形破坏的根本原因，而洞室与地应力主轴之间空间角度关系的不对称性造成的偏压是造成厂房洞室群破坏位置不对称的直接原因。

地下厂区实测地应力显示，初始最大主地应力σ1=20～35.7 MPa，围岩强度应力比较低，约为1.5～3，地下厂房洞室群处于高～极高应力区。即使排除实测最高值σ1=35.7 MPa的测点后，保守选取的地应力仍然达到σ1=21.7 MPa，σ3=7.4 MPa和σ2=12.2 MPa，平面应变计算结果表明，开挖后围岩弹性应力集中量值达到50 MPa，一般都在25 MPa以上。开挖过程中及围岩加固后的变形破裂现象多以强度破坏为主，以上均表明高地应力与岩体强度之间的矛盾是厂区围岩变形破坏的根本原因。

洞室开挖后应力重分布与洞形和天然应力场的方位密切相关，从地应力场方位与洞室的关系看，垂直河流布置的主厂房、主变室等洞室轴线与最大主应力方向在水平面上小角度相交，夹角15°～20°，无疑有利于洞室围岩稳定。但是，对下游侧边墙而言第一主应力指向洞外(见图15、16)，开挖后容易在拱座附近集中，而应力场分组中的第二或第三主应力则指向洞内，开挖后急剧释放，过大的应力差造成主厂房、主变室下游拱腰部位岩体变形破坏严重。二维数值模拟计算结果也表明厂房下游洞周应力高度集中区主要分布在主厂房和主变室顶拱下游侧拱座，以及与之反对称的两洞室上游侧直墙脚部。母线洞及尾水管纵剖面上，洞周最大主应力高度集中区主要分布在洞室外侧顶拱及内侧边墙下部，弹性应力集中量值可达到90 MPa以上。

(2)与厂区岩体结构类型的关系。除f13、f14和f18断层(煌斑岩脉)三大地质弱面发育部位属碎裂镶嵌结构外，其余部位以厚层块状结构为主，少量中薄层结构。岩体内主要结构面多与主要洞室大角度相交，且与第一主应力方向近正交，因此，岩体结构效应对围岩变形稳定影响大为降低。但是，岩体结构特征及结构面产状与洞室的关系对具体变形破坏型式有一定控制作用，在厚层块状岩体中围岩以劈裂压碎破坏为主，薄层结构岩体中则以内鼓弯折为主。主厂房及主变室上游边墙岩层视倾向洞内，有利于主应力释放，围岩卸荷回弹变形明显；而下游侧岩层视倾向洞外，不利于地应力释放，因此，岩层产状与工程的关系也是下游侧边墙拱腰变形破坏相对严重的原因之一。

图15　开挖前平面应力

图16　开挖后弹性重分布应力

(3)围岩变形破坏与洞室尺寸、形状以及洞室密集程度有关。厂房开挖跨度、高度较主变室大，因此主厂房围岩变形总体上比主变室要强。洞室形状影响主要是拐点处易应力集中或卸荷松弛，如厂房下游拱座处应力高度集中，而主机间内端墙由于上部失去约束，卸荷松弛。

洞室密集程度对围岩变形影响较大，洞室之间的部位，围岩变形破坏严重。当洞室密集时，洞间承载应力的岩体尺度将减小，应力更高度集中，而且变形空间也更大,这就是群洞效应。如主厂房与主变室之间的岩墙，由于受到上下游两面和母线洞开挖，岩体向主厂房和主变室两个方向释放应力，致使岩墙变形深度较大。

(4)支护强度、时机的选择。厂房洞室开挖后二次应力应变场调整剧烈，过程比较复杂，达到平衡状态需要的时间比较长，变形量值比较大。尤其是停止开挖后，变形趋势依然增加。这种变形模式对支护系统的承力状态影响较大，在现有技术条件下，很难准确评价，因此高地应力环境下，选择什么样的施工程序、方法，支护方式、强度以及支护时机等，才能最大程度限制围岩不出现大的破坏变形，还值得进一步探讨。

4　结　　论

(1)浅部破坏现象主要有片帮剥落、卸荷回弹、错动、局部劈裂破坏、弯折内鼓。破坏分布位置，厂房、主变室等垂直河流向洞室主要是下游侧顶拱和上游侧边墙中下部，下游侧顶拱片帮剥落、混凝土喷层开裂，上游边墙中下部表部岩体普遍卸荷回弹破坏；母线洞、尾水管等顺河向洞室主要是外侧顶拱和内侧下部，开挖期外侧顶拱片帮剥落，或内鼓弯折，内侧壁下部劈裂、松动碎裂。主厂房、主变室的下游侧拱座附近洞壁浅表(深度2 m左右)，岩体基本破坏，失去承载能力。

(2)厂房洞室群围岩在高地应力下，变形持续向深部发展，岩体劈裂、松弛深度大，根据物探现场编录、波速曲线和钻孔图像以及变形监测成果分析，主厂房下游侧拱座附近岩体松弛深度7～12 m，边墙一般8～13 m，最深16.5 m；上游侧拱座附近松弛深度1.2～3.4 m，边墙9～17 m。主变室上游边墙岩体松弛深度8～17 m，最深约18 m；下游边墙松弛深度6～10 m，最深约15 m。

(3)大理岩破坏有一定时间效应，随时间围岩破坏加剧，围岩表现出逐步发展的破坏过程，由开挖期的卸荷回弹、片帮等现象发展到初期支护后的大规模劈裂破坏。

(4)厂房地下洞室群围岩变形破坏机理复杂，与岩体强度、应力场分布、岩体工程地质特性、洞室群规模和形状、开挖方式、支护时机和强度等多种因素有关，其中地应力高而大理岩岩体强度相对较低是施工期围岩变形破坏的最根本原因，而偏压造成下游拱腰和上游边墙下部出现应力集中，从而导致下游拱腰和上游边墙围岩破坏强烈。

(5)厂房二次应力应变场调整过程比较复杂，变形量值较大，对支护系统的承力状态影响较大，在施工方式、支护时机和力度上还值得进一步探讨。

[1]周 钟，巩满福，侯东奇，等. 四川省雅砻江锦屏一级水电站地下厂房洞室群施工期围岩稳定与支护设计报告[R]. 成都：中国水电工程顾问集团成都勘测设计研究院，2010.

[2]周钟，巩满福，汤雪峰，等. 四川省雅砻江锦屏一级水电站地下厂房洞室群围岩变形破坏机制及加固措施研究专题报告[R]. 成都：中国水电工程顾问集团成都勘测设计研究院，2009.

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2015-03-03

陈长江(1979-)，男，贵州兴仁县人，高级工程师，从事水利水电工程地质勘察工作。

TV223.1;TV731.6

A

1003-9805(2016)03-0005-06