乌东德水电站尾水主洞扩挖过程中边墙破坏的几点认识

颜其林，蒋业龙

(1.安徽省引江济淮集团有限公司，安徽 合肥 230000；2.三峡大学 土木水电学院，湖北 宜昌 443000)

乌东德水电站厂房布置于左右两岸山体中，均靠河床侧布置，各安装6台单机容量为850MW的混流式水轮发电机组，总装机容量10200MW。主要建筑物有进水口、引水隧洞、主厂房及安装场、主变洞、母线洞、电缆廊道、尾水调压室、尾水隧洞、尾水出口、出线竖井及平洞、地面出线场、交通洞、通风排风(烟)系统、集水井排水管道洞及厂外排水系统等。引水系统采用一机一洞、尾水系统采用二机一室一洞布置，左右岸各有2条尾水隧洞与导流洞结合。

水电站地下洞室群经过的地层主要有落雪组的第一段至第十段(Pt2l1-Pt2l10)，洞室围岩以Ⅱ类、III类为主[1]。由于该水电站具有工程规模大，洞室布置密集，挖空率较高等特点，在洞室群的施工建设中将遭遇一系列较为突出的大跨度、高边墙洞室稳定或破坏等问题。围岩的破坏主要是受岩性、岩体结构、地质条件和地应力等因素的影响，有多种破坏模式，具体的表现形式也多样[2-3]。而不同的破坏模式往往对应着不同的破坏机制和过程。本文对乌东德水电站1#尾水主洞上游段(0+40～0+60m之间区域)在Ⅰ层扩挖过程中左侧边墙发生的破坏进行差异性分析，以此对围岩破坏模式正确的识别，有助于后续采取针对性的分析方法和工程控制措施，进而避免或减轻围岩的破坏，达到“防患于未然”。

1 隧洞塌方与岩爆的定义

1.1 隧洞塌方

对于结构面较发育、岩体质量较差的洞段，开挖一方面导致垂直结构面方向的应力被解除进而使结构面张开，并与其垂直或成大夹角相交的微小裂隙共同切割岩体，进而导致这部分岩体在自重作用下产生解体、溃散后坍落；另一方面结构面张开后导致形成的薄岩板在端部荷载作用下亦可能产生挠曲后弯折溃曲，在自重作用下产生垮塌。而当围岩质量相对较好时，如结构面与隧洞开挖临空面相交切割而成不稳定块体，则视其在洞室的出露位置表现出不同的破坏模式：如该不稳定块体出现在顶拱，表现为掉块；如出现在边墙，则表现为滑移-坍落。

1.2 岩爆

一般出现在高应力环境下的完整岩体中，开挖后某些部位高度的应力集中导致岩体储存大量的弹性应变能，超出岩体储能能力或受到扰动时可能发生强烈的动力型破坏，即岩爆。岩爆一般分为应变型岩爆和结构面型岩爆[4-5]。

(1)应变型岩爆，是指围岩应力集中区的弹性能应变累积水平超过围岩的承受能力后直接导致的围岩破坏现象。深埋高地应力是此类破坏发生的必要条件。高地应力的影响包括两个方面：高地应力使原岩储存更多的弹性能，为岩爆发生提供了能量源；岩体在高地应力下强烈压缩，一些隐性的结构面被压密，岩体结构得到改善，岩体强度得到提高，开挖扰动后围岩应力调整过程中，岩体在屈服前积聚更高的能量。

(2)结构面型岩爆，是指岩爆发生时受附近紧密闭合的硬性结构面或断裂影响的岩爆。在低应力条件下，结构面自身的变形与破坏对围岩稳定起主要作用；但在高地应力条件下，原岩中的结构面趋于闭合，结构面自身的变形和破坏作用逐渐减小。同时，结构面附近的应力与能量集中成为岩爆的诱发因素。

2 破坏特征比较

松散结构或极破碎围岩段内产生的塌方是由于岩体在隧道开挖过程中受爆破震动和开挖卸荷的影响，岩体结构被完全破坏而解体，塌方体呈明显的碎裂状；受关键块体的滑塌引起的塌方常位于断层带、剪切带、片理化带、破碎带等部位，并往往可以观察到这些大的结构面是作为塌方体的边界出现的；对于结构面与隧洞开挖相交构成不利组合造成的塌方，除塌方体边界为结构面外，塌方体也为较规则的几何体。

岩爆发生时，常引起围岩的震动。岩爆发生时围岩内部储存的弹性能部分转化为失稳岩体的动能，岩体抛射物具有一定的初速度。岩爆常常伴有撕裂、清脆或者沉闷的声响[6]。

3 此次岩体破坏模式识别

首先，从地应力上推测此处发生岩爆的可能性。岩爆一般发生在高地应力下，但是目前国际和国内尚无统一的标准。结合工程实践，通常将>20MPa的硬岩岩体内的初始地应力称为高地应力。基于乌东德地厂地应力实测和反演结果[7]，此处的最大主应力<15MPa，因此不属于高地应力区域。其次，从强度应力比σc/σ1指标判据判断此处发生岩爆的可能性。结合地厂的灰岩单轴抗压强度试验结果，灰岩的常规三轴试验和真三轴试验峰值强度多>100MPa，而反演的最大主应力<15MPa，因此σc/σ1>6.7。根据Barton判据、陶振宇判据及国标GB 50218—94(表1)给定的岩爆判定区间，此处发生岩爆的可能性很小。

表1 基于强度应力比的岩爆判据

现场没有人员看到此处产生破坏时是否伴随有岩块弹射现象，不能据该现象判定此处破坏是否为岩爆。但从现场所揭示的破坏表面上来看，此处岩体并不完整，其内分布有两组明显的密集结构面(图1)，故该处岩体不具备储存大量应变能的岩体结构条件，自然也就不具备岩爆发生的条件。另外，此处破坏表面较为平滑(图2(a))，而岩爆是应变能转变为动能后造成岩石与岩体剧烈分离的一种动态破坏，其爆坑表面是不平滑和不规则的(如图2(b)所示，锦屏二级水电站引水隧洞所发生的众多岩爆，即使是轻微岩爆，其爆坑表面也是凹凸不平的)[8]。岩爆最主要的爆后特征是由于岩块的抛掷现象使其散落范围大于破坏面的垂直面积(图3(a))，而从此次破坏岩块所散落的面积来看，其分布的范围基本上位于其破坏面的垂直面积内(图3(b))，由此可以断定此处岩体破坏时没有明显的岩块抛掷现象。综合以上推断，可以断定此处的破坏不是岩爆[9]。

图1 此处破坏表面密集结构面分布

图2 此处破坏与岩爆破坏表面对比

图3 此处破坏与岩爆破坏后岩石散落的范围对比

对于此次1#尾水主洞上游段Ⅰ层扩挖过程中左侧边墙的破坏，其产生原因是因为中导洞的扩挖致使围岩表面由三向应力状态转为二向应力状态，洞壁处切向应力显著增加致使其产生明显的径向压致拉裂现象，随着应力不断调整，裂纹持续扩展并最终与原生裂隙贯通，形成塌方的内部边界；当这些内部边界与开挖临空面相交时，便形成不稳定体，在自重作用下难以自持后沿边墙塌落。

4 拟采取工程措施及效果

根据设计要求，参照其他工程应用[10-11]，尾水洞主要支护类型有：锚杆(砂浆锚杆、锚筋束、中空注浆锚杆、自进式锚杆、预应力锚杆、超前锚杆等)、喷射混凝土(包括喷射素混凝土、喷射钢纤维混凝土、喷射粗纤维混凝土、挂钢筋网喷射混凝土)、预应力锚索、钢支撑(含型钢拱架、格栅钢拱架、钢筋肋拱)、小导管。

经四方现场确认，排除岩爆，结合围岩性状(III类)，此部位系统支护参数包括Φ32，L=6m/9m@1.5×1.5m的系统锚杆(6m为普通锚杆，9m为张拉力50kN的张拉锚杆，交错布置)；同时采用挂钢筋网、喷射混凝土。

同步对此断面进行收敛和变型监测，设置来多点位移计和锚杆应力计。多点位移计均为3点式布置，孔深10m，锚杆应力计根据直径不同布置在6m或者9m的砂浆锚杆上；通过持续监测数据反映：多点位移计当前孔口位移<1mm，监测锚杆应力<20MPa，测值较平稳。

5 结论

针对此次1#尾水洞上游段Ⅰ层扩挖过程中左侧边墙发生的破坏进行分析，获得如下结论：

(1)从地应力条件(最大主应力<15MPa)、强度应力比σc /σ1指标(>6.7)上可以判断，此处岩体发生的破坏为岩爆的可能性较小。

(2)从现场所揭示的破坏表面形态来看，此处岩体并不完整，其内分布有两组明显的密集结构面，故该处岩体不具备储存大量应变能和发生岩爆的岩体结构条件；此外，破坏表面较为平滑与通常所见的岩爆爆坑表面凹凸不平现象不符。从此次破坏岩块所散落的面积可以推断，此处岩体破坏时没有明显的岩块抛掷现象。

(3)从现场的破坏形态上推断，此处破坏是由于围岩在开挖后应力调整的过程中，在切向应力不断增加的作用下导致的裂纹持续扩展直至贯通形成塌方的内部边界，并与开挖临空面构成不利组合所导致的塌方，而并非岩爆。

(4)通过岩体破坏模式识别，并采取工程措施，结合后续监测结果，可为类似地下洞室工程施工提供参考依据。