杨房沟水电站母线洞裂缝成因分析

蔡一坚1，蔡 波1，周 勇，潘 兵

(1.中国电力建设集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，311122；2.浙江中科依泰斯卡岩石工程研发有限公司，杭州，311122)

1 工程基本情况

1.1 工程概况

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上，是规划中该河段的第六级水电站，其上游连接孟底沟水电站，下游连接卡拉水电站，工程的开发任务为发电。杨房沟水电站地下厂房布置在左岸山体内，厂房纵轴线方位N5°E，内置4台单机容量375MW的水轮发电机组，总装机容量1500MW。

主副厂房、主变室、尾水调压室三大洞室平行布置，均采用圆拱直墙型断面，主副厂房洞与主变洞的净距为45.0m，主变洞与尾水调压室的净距为42.0m。主副厂房尺寸为230m×30m×75.57m(长×宽×高)，主变室尺寸为156.0m×18.0m×22.3m(长×宽×高)，尾水调压室采用阻抗长廊式，1#和2#调压室尺寸分别为24m×69.5m×63.75m(宽×长×高)和24m×82m×63.75m(宽×长×高)。

杨房沟水电站主副厂房洞下游边墙布置有4条母线洞，母线洞位于主副厂房洞和主变洞之间，母线洞底板开挖高程为1985.5m，距离拱顶37m，距离尾水管底板38.5m，每条母线洞中心间距33m，母线洞之间岩壁厚度约为24m。

母线洞开挖体型为城门洞型，靠近厂房一侧母线洞开挖断面尺寸为9m×7.5m(宽×高)，开挖长度为15m；靠近主变一侧母线洞开挖断面尺寸为11m×7.5m(18.5m)，开挖长度为25m；母线洞总开挖长度为45m。

图1 杨房沟地下厂房洞室群三维模型

1.2 基本地质条件

母线洞围岩岩性为浅灰色花岗闪长岩(γδ52)，呈微风化～新鲜状，岩质坚硬，岩石的单轴饱和单轴抗压强度在80MPa～100MPa之间。母线洞发育共揭露5条Ⅳ级结构面，节理中等发育～轻度发育。洞壁潮湿，无较大的出水点，仅个别部位有渗滴水。

根据前期地应力测试成果，厂区最大主应力值为12.62MPa～13.04MPa，属于中等地应力区。洞室开挖成型一般～较好，母线洞开挖过程中，右侧拱肩局部有应力破裂现象。

1.3 开挖时序

通常情况下，母线洞开挖既要确保厂房岩壁稳定及岩锚梁施工质量要求，又要尽量减少占主厂房开挖的直线工期，因此，为保证厂房边墙围岩稳定，减轻近距离爆破对岩锚梁的影响，一般母线洞的开挖支护遵循“先洞后墙”的原则，并在厂房岩锚梁浇筑之前完成。杨房沟地下厂房洞室群母线洞开挖施工安排在厂房岩梁层(第Ⅲ层)开挖期间同步进行，并确保在岩锚梁混凝土浇筑之前全部完成4条母线洞开挖支护工作。

2 裂缝情况

厂房下挖过程中，第Ⅶ层开挖基本完成后，4条母线洞均出现不同程度的喷层裂缝，裂缝多为断续延伸，延伸长度一般2m～6m；多为环向裂缝，少量延伸8m～16m；右侧拱肩发育少量纵向裂缝和外鼓现象。

母线洞内裂缝可分两种类型：第一种为环向裂缝，第二种为母线洞拱肩水平裂缝。并具有以下特点：

(1)靠厂房一侧的环向裂缝较靠主变一侧发育，且裂缝开展宽度也相对较宽；

(2)靠厂房一侧的环向裂缝主要分布在距离厂房下游边墙10m区域，其中靠近厂房下游边墙5m区域均存在一条宽8mm～10mm的边墙环向裂缝；

图2 杨房沟地下厂房及主变洞开挖顺序

(3)边墙的环向裂缝开展宽度明显大于顶拱的环向裂缝开展深度；

(4)水平裂缝主要分布在厂右拱肩位置；

(5)根据裂缝断口形状，环向裂缝破坏模式表现为拉裂破坏，水平裂缝破坏模式表现为应力性破坏。

针对上述两种裂缝(水平、环向)成因，设计人员进行了简要分析，并主要以减小主副厂房洞下游边墙(母线洞交叉区域)应力松弛损伤、确保母线洞内施工安全为基本原则，分别针对主副厂房洞下游边墙和母线洞内围岩进行了系统支护和加强支护设计。

图3 环向裂缝(3mm～4mm宽)(距离厂房下游边墙8m)

3 裂缝成因分析

不计在厂房下挖过程中的爆破等施工因素影响，可对杨房沟水电站母线洞的水平和环向裂缝成因进行如下归纳。

3.1 水平裂缝

由于地下厂房与主变室之间的岩柱内布置了多条母线洞，整体挖空率相对较高，多个洞室开挖卸荷引起的二次应力调整相互叠加影响，导致岩柱内应力状态较复杂，图4为位于母线洞中部剖面岩柱的最大主应力分布特征。由图4可知，受河谷偏压地应力特征影响，岩柱内应力集中区域主要位于母线洞右侧拱肩区域及左侧边墙墙脚区域，最大主应力一般在24MPa～30MPa，存在一定的应力性破坏风险。

可见，母线洞中部靠主变侧洞段出现的喷层水平裂缝，其主要成因偏向于应力性开裂，实际上这在母线洞开挖初期就有所表现(相应部位出现了轻微应力性片帮破坏)。随着厂房的持续下卧，洞间岩柱应力持续调整，该部位也进一步显现出了围岩二次应力集中导致的喷层破裂问题，与母线洞喷层环向裂缝的形成应区别对待。

图4 母线洞中部最大主应力分布特征(下方为尾水管)

3.2 环向裂缝

母线洞环向裂缝的成因主要是厂区地应力偏高(属中等应力)、洞室结构体型(厂房和主变洞之间的岩柱受力机制复杂，加之四条母线洞影响，是地下洞室中的薄弱环节)决定的。而下游边墙发育的顺洞向陡倾优势节理也为岩柱的侧向开挖卸荷变形提供了条件，会一定程度上加大母线洞环向开裂的程度和影响深度等。

从洞室开挖变形响应特征方面分析，图5为厂房下游边墙(母线洞区域)不同开挖阶段的变形矢量图(以3#母线洞轴线剖面为例)数值计算结果。

图5 厂房下游边墙(母线洞区域)变形矢量

数值分析结果表明：从母线洞顶拱及底板沿线围岩变形分布特征看，靠近厂房下游边墙的变形问题相对突出，其主要影响区在距厂房下游侧边墙10m～15m范围内。母线洞与厂房下游边墙交叉部位母线洞顶拱变形和应力释放主要发生在厂房第Ⅴ～Ⅶ层开挖期间(变形释放量占总变形的65%～70%，水平变形增量可达到30mm～50mm)；而母线洞底板变形和应力释放主要发生在厂房第Ⅵ～Ⅶ层开挖期间(变形释放量占总变形的70%左右，水平变形增量可达到20mm～40mm)，影响深度一般可以达到10m～15m左右。从现场母线洞环向裂缝开展的时间和位置来看，主要发生在厂房第Ⅴ～Ⅶ层开挖期间，环向裂缝(多为顺洞向陡倾优势结构面的法向张开变形)的主要分布位置一般在距厂房下游边墙约10m～12m距离以内，与数值分析基本一致。

从受力特征方面分析，洞室开挖中岩柱的特殊应力响应机制是导致母线洞部位出现张拉型环向裂缝的主要原因。在地下厂房边墙持续下卧的开挖卸荷作用下，主厂房和主变室洞间岩柱的受力状态逐步由三向压缩应力状态调整为整体双向压缩状态(竖向加载、侧向卸荷)，形成沿母线洞轴线方向的广义拉伸应力状态。分段图6、图7分别为地下厂房开挖过程中典型断面上围岩最大、最小主应力分布特征数值计算结果，图8为地下厂房开挖过程中典型断面上围岩拉应力区分布特征数值计算结果。

厂房顶拱应力集中程度及范围呈现一定增长趋势，厂房洞室群开挖完成后厂房顶拱最大主应力一般在24MPa～28MPa。从最小主应力分布特征看，边墙围岩表现出了相对明显的应力松弛问题，且随着洞室持续下卧，高边墙效应显现，边墙应力松弛程度及范围逐步增大，厂房边墙浅部一定深度范围内围岩处于受拉状态，该区域可与围岩开挖松弛损伤区相关联。在厂房第Ⅴ～Ⅶ层开挖期间，母线洞邻近部位围岩的应力松弛区或拉应力区均出现了较明显的扩大，此阶段厂房下游边墙(母线洞交叉洞口部位)围岩应力松弛深度一般可达到8m～15m左右，拉应力区分布范围一般在5m～10m，这与现场揭示的母线洞环向裂缝开裂现象具有对应性。

图6 主副厂房洞和母线洞之间岩柱最大主应力变化过程

图7 主副厂房洞和母线洞之间岩柱应力松弛区(最小主应力<1MPa)变化过程

图8 主副厂房洞和母线洞之间岩柱拉应力区(最小主应力<0MPa)变化过程

4 结语

本文针对杨房沟水电站在厂房开挖过程中出现的母线洞裂缝进行分析，结合母线洞开挖时序和数值计算的结果，从开挖变形响应和受力特征方面，对母线洞裂缝成因进行了分析和论证。结论如下：

(1)城门洞型母线洞受河谷偏压地应力特征影响，岩柱内应力可主要集中于母线洞拱肩区域及边墙墙脚区域，产生应力性喷层破裂问题；

(2)随着厂房边墙持续下卧，母线洞轴线方向拉应力范围增大，导致母线洞与厂房交叉部位底板产生环向拉裂裂缝。在厂房后续开挖完成后，该部位围岩的应力松弛问题和拉应力范围逐渐稳定；

(3)在进行厂房边墙的开挖支护设计时，应考虑厂房洞和主变洞之间的岩柱厚度和高边墙效应，结合数值计算结果，对如母线洞的洞室交叉部位，考虑设置大吨位预应力锚索进行深层支护，对母线洞环向应力调整进行限制，减小母线洞拉应力扩展范围，尽量避免出现环向裂缝；

(4)在施工过程中应合理控制爆破参数，提高施工质量，及时支护。