瀑布沟水电站地下厂房系统岩爆规律分析

王 广 巍

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

瀑布沟水电站地跨四川省汉源和甘洛两县，下距乌斯河镇7 km，上距汉源县城28 km，附近可通铁路和公路，交通方便。电站最大坝高186 m，正常蓄水位850.0 m，死水位790.0 m，控制流域面积68 512 km2，总库容53.37亿m3；水电站共装有6台机组，装机容量3 600 MW，保证出力926 MW，年发电量147.9亿kW·h。发电建筑物采用地下厂房型式，地下厂房系统主要由地下厂房、主变室、尾水闸门室三大洞室组成，尾水闸门室与尾水隧洞相连。

地下厂房由外向里依次布置副厂房、主厂房和安装间，轴线方向N42°E，断面呈圆拱直墙型；副厂房尺寸为25.5 m×26.8 m×40.1 m(长×宽×高)，主厂房尺寸为208.6 m×26.80 m(吊车梁以下)×70.1 m(长×宽×高)，安装间尺寸60 m×26.80 m(吊车梁以下)×29.1 m(长×宽×高)。主变室位于地下厂房下游，断面呈圆拱直墙型，尺寸为249.1 m×18.30 m×25.975 m(长×宽×高)。尾水闸门室位于主变室下游，断面呈圆拱直墙型，尺寸为212.085 m×16.4 m×56.35 m(长×宽×高)。瀑布沟水电站地下厂房系统纵向布置示意见图1。

瀑布沟水电站第一台机组于2009年12月发电，2010年12月6台机组全部投产。截至目前，水电站已经正常发电近10年，社会经济效益显著。

图1 瀑布沟水电站地下厂房系统纵向布置示意

2 工程地质条件

地下厂房系统洞室群布置在大渡河左岸山体中，地形完整，水平埋深240～540 m，垂直埋深200～360 m，距大渡河边约400 m，洞室轴线方向N42°E；围岩为澄江期中粗粒花岗岩，仅有少量辉绿岩脉分布，微风化～新鲜，主要呈次块状～块状结构，完整性好，以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主；岩性坚硬，强度高，岩石饱和单轴抗压强度一般在100 MPa以上，岩体弱卸荷水平深度38 m，弱风化水平深度221 m。

厂房系统内无大的断层分布，构造表现为小断层、挤压破碎带、节理裂隙。小断层、挤压破碎带绝大多数产状为N40°～60°W/SW∠20°～40°，宽度多小于50 cm；断层带多由碎裂岩、碎块岩及少量糜棱岩组成，结构挤压紧密。围岩中优势节理有4组，分布有明显的区段性，一般为两组或两组节理加随机节理的组合，结构面大多平直粗糙，常见蚀变膜。

地下厂房系统地下水类型为基岩裂隙水，接受大气降水补给，向大渡河排泄；开挖揭示地下水不丰富，仅局部段渗滴水或湿润，渗滴水多沿软弱结构面出现，随着开挖的进行，出水量逐渐减小、消失，对围岩稳定无大的影响。如交通洞和1号施工支洞刚揭穿断层带及其影响带时有小股涌水，之后渐小。据水质分析，基岩裂隙水属弱碱性低矿化度淡水，对混凝土结构具微腐蚀性。

前期针对地下厂房系统的现场地应力测试，岩体地应力场最大主应力σ1为21.1～27.3 MPa，方位稳定，厂房轴线与最大主应力方向夹角一般为26.7°～36.7°，自重应力σH与垂直应力σZ之比小于50%，平均σ1：σ2：σ3=1：0.65：0.27，表明是以构造应力为主的地应力场，且偏应力较大。岩石饱和单轴抗压强度Rb与最大主应力σ1比值在3.9～7.6间，根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)岩爆分级及判别标准，地下厂房系统岩体可能发生中等～轻微岩爆。岩爆分级及判别见表1。

表1 岩爆分级及判别

注：Rb为岩石饱和单轴抗压强度(MPa)，σ1为最大主应力。

3 岩爆发育规律

岩爆是围岩突然释放大量弹性应变能导致岩石产生脆性破坏的现象。它一般只发生在高地应力地区，并且围岩坚硬完整，有积蓄较大弹性应变能的能力。瀑布沟水电站地下厂房系统属于高地应力区，围岩为澄江期中粗粒花岗岩，以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，完整性好；岩性坚硬，岩石饱和单轴抗压强度一般在100 MPa以上，地下水不丰富；围岩具备了发生岩爆的地质条件。

开挖揭示，地下厂房系统洞室群局部完整岩体中有岩爆现象，掘进时发出噼啪破裂声，根据洞室施工过程中现场记录统计分析，洞室岩爆主要有两种方式。

第一种岩爆方式为爆裂弹射方式，发生岩爆时伴有清脆响声，同时伴有灰雾及震动现象。围岩呈片、板状由洞室拱座附近向内侧或由开挖面向临空面发生弹射，弹射距离2～3 m不等，一般呈中间厚、边缘薄透镜体状，厚度一般3～20 cm。

第二种岩爆方式为劈裂剥落方式，爆裂发生时无响声或声音很小，爆裂岩体经开挖爆破震动部分发生塌落，部分爆裂松弛后经过一段时间塌落或仅开裂而不塌落。表部岩体多呈片状开裂，影响深度可达0.1～1.0 m。

从洞室开挖情况统计，平行洞室间的岩柱(厚度较小的)、隧洞从两头开挖接近贯通时的部位、洞室轮廓线变化处，都是应力集中较大的地点，易于发生岩爆。瀑布沟水电站地下厂房系统岩爆特征统计见表2。

表2 瀑布沟水电站地下厂房系统岩爆特征统计

4 岩爆防治措施

瀑布沟水电站地下厂房系统属于高地应力区，开挖过程主要通过改变洞室围岩应力状态，减缓围岩应力集中来实现岩爆防治。岩爆防治主要施工措施如下。

(1)打超前小导洞。全断面掘进开挖对围岩扰动大，易诱发岩爆，在开挖面打超前小导洞，通过小导洞提前释放部分应力，减少围岩岩爆现象。地下厂房系统围岩均在开挖面打超前小导洞，提前释放部分应力，有效减少了围岩岩爆频率，降低了围岩岩爆强度。

(2)控制爆破。洞室开挖中采用浅孔多循环光面控制爆破，严格控制最大单响药量，提高爆破残孔率，使洞室开挖面尽量圆顺，避免局部洞壁围岩产生应力集中，减少围岩岩爆现象。地下厂房系统围岩爆破残孔率要求大于90%，保证洞室开挖面尽量圆顺。

(3)掌子面喷水、钻孔注水。在新开挖的掌子面上喷水、钻孔注水，使围岩表部应力缓慢释放，从而降低岩爆的影响范围和强度，减少了岩爆对作业人员、生产设备的威胁。地下厂房系统围岩在新开挖的掌子面上多次实施喷水作业，使围岩表部应力缓慢释放的同时降低了洞室内灰尘，保证了施工安全。

(4)及时加固支护。在洞室开挖完成后，及时对围岩进行加固支护是防治岩爆的主要措施，这不仅可以改善围岩应力大小和分布，还能使洞室周边岩体从平面应力状态变为空间三向应力状态，达到减轻岩爆危害，防止岩石弹射、剥落事故发生。瀑布沟水电站地下厂房系统主要采用“径向锚杆+喷混凝土”“径向锚杆+喷混凝土+钢筋网”“锚索+径向锚杆+喷混凝土”等型式对围岩进行支护，实践证明，上述支护处理有效减少了围岩岩爆事故，保证了作业安全。

5 围岩变形监测

洞室施工期间，围岩应力将发生重新分布且不断进行调整。变形监测的目的是掌握洞室围岩及支护的变形动态，确保施工的安全性、经济性，同时对设计起到一定的指导和检验作用。如发现支护变形增加，说明围岩变形加大，应及时采取补强加固处理措施。为及时监测地下厂房系统围岩应力、应变的变化情况，在地下厂房、主变室、尾水闸门室等部位埋设了多点位移计、锚杆应力计、锚索测力计。

经对地下厂房系统围岩进行喷锚、挂网、锚索等支护处理后，根据围岩变形监测成果，对个别监测断面处围岩进行了补强加固处理。监测成果分析显示，经支护措施处理后，地下厂房系统围岩应力、应变已经趋于收敛，围岩稳定。截至目前，地下厂房系统已经安全运行近10年，社会经济效益显著。

6 结 语

(1)瀑布沟水电站地下厂房系统属于高地应力区，围岩为澄江期中粗粒花岗岩，以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，完整性好；岩性坚硬，岩石饱和单轴抗压强度一般在100 MPa以上，地下水不丰富；围岩具备了发生岩爆的地质条件。根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)岩爆分级及判别标准，厂房系统岩体可能发生中等～轻微岩爆。

(2)瀑布沟水电站地下厂房系统包括地下厂房、主变室、尾水闸门室等洞室，施工中有岩爆现象发生，多发生在拱座部位，围岩呈片、板状爆裂弹射及劈裂剥落，弹射岩片厚度一般为3～18 cm，并伴随清脆响声及灰雾。

(3)在地下厂房系统施工中，对围岩采取打超前小导洞、控制爆破、掌子面喷水及钻孔注水、及时加固支护等工程措施，有效地降低了围岩岩爆发生的强度和频率，提高了施工进度、保证了作业人员、设备安全。