某水电站软岩试验洞围岩变形监测及规律分析

郑 涛

(浙江华东测绘与工程安全技术有限公司,浙江 杭州 310014)

0 引言

某水电站位于四川省丹巴县境内的大渡河干流,电站装机容量1 160 MW,厂坝之间采用长约17.4 km 的2 条长引水隧洞连接,隧洞直径约14～16 m,隧洞轴线走向约N10～20°W,洞室垂直埋深一般为500～800 m,最大埋深约1 200 m。引水建筑物拟布置在大渡河左岸山体中,其中调压室和压力管道洞段围岩主要由石英云母片岩组成,夹云母石英片岩和变粒岩,以及石英脉、少量伟晶岩脉,部分变粒岩条带及角闪岩脉发育,局部发育方解石脉,围岩强度变低,为典型的软岩区域。石英云母片岩具有较强的非线性蠕变特征,并且应力水平高于某值时会有加速蠕变现象,此外,由于历史上受强烈构造挤压的地质作用,石英云母片岩片理面仍具有致密性、紧密胶结等特性,呈现出“似块状”结构。同时,石英云母片岩还具有明显的各向异性特征。因此,研究以石英云母片岩为主的地下洞室围岩变形规律,对围岩支护设计、建设期开挖防护措施选择等具有指导意义。为此,利用该水电站CPD1 地质勘探洞,在软岩分布区域开挖了1 个断面尺寸为8 m×8 m 的试验洞,试验洞起始桩号为K1+745 m,终点桩号为K1+781 m,洞长共36 m,其中扩挖段8 m,直线段28 m,试验洞断面采用城门洞型布置,试验洞轴线方向为N8°E。

1 软岩试验洞监测布置

为研究软岩变形规律,取得模拟试验洞开挖全过程的观测资料,在试验洞左边墙侧平行布置1 条观测支洞预埋观测仪器,主要用于观测试验洞左侧边墙水平向变形。试验洞内共布置3 个监测断面(A-A、B-B、C-C),监测断面的桩号分别为：K1+759.00 m、K1+762.00 m、K1+765.00 m,每个监测断面在试验洞的顶拱和左右边墙中部各布置1 套多点位移计,其中左边墙的多点位移计采用从观测支洞预埋的方式以监测试验洞开挖全过程的围岩变形情况,顶拱和右边墙的多点位移计则采用即埋式。模拟试验洞及观测支洞的平面布置以及监测断面具体布置见图1。

图1 试验洞监测平面布置图Fig.1 Monitoring layout plan of test tunnel

(1) 预埋式多点位移计：从观测支洞向试验洞近水平钻孔安装,以了解试验洞开挖全过程的围岩深部变形情况。共布置有3 套六点式位移计,每套位移计各锚固点与试验洞左侧边墙的距离分别为0.3 m、0.8 m、2.0 m、4.0 m、6.0 m、12.0 m。但在试验洞开挖过程中因超挖及爆破控制等原因,使得预埋多点位移计各测点位置与的设计有一定的偏差,根据实际测量和计算,预埋多点位移计各测点距试验洞左侧边墙的实际距离见表1。

表1 预埋多点位移计各锚头距试验洞左侧边墙的距离(单位：m)Tab.1 The distance between each anchor head of the embedded multi-point displacement meter and the left side wall of the test hole (unit：m)

(2) 即埋式多点位移计：当试验洞开挖到监测断面桩号时,在试验洞拱顶及右侧边墙各布置1 套四点式位移计,每套位移计各锚头与试验洞洞壁的距离分别为：0.8 m、2.0 m、4.0 m、6.0 m。

2 试验洞施工时间节点

试验洞开挖是以先开挖导洞,再扩挖成型的方式进行的,具体施工节点详见表2。

表2 试验洞开挖施工节点时间Tab.2 The test tunnel excavation and construction node time

3 围岩变形监测成果及分析

3.1 预埋多点位移计监测成果及分析

由于文章篇幅有限,该文主要以B-B 断面的监测数据作为分析,试验洞在该断面左侧边墙预埋的1 套六点式多点位移计B-1 监测到了试验洞从开挖到结束的全过程围岩变形情况,较全面的反映了围岩变形的空间和时间上的分布关系,其变形与时间过程线见图2。从过程线图可见：

图2 左边墙预埋多点位移计B-1 测值过程线Fig.2 Process line of B-1 measurement value of embedded multi-point displacement meter on the left wall

(1) 临近监测断面区域爆破开挖时围岩变形急剧增大,停止开挖期间围岩变形逐步趋于稳定。

(2) 试验洞边墙围岩的蠕变比较明显,如在2013 年4 月21 日至7 月31 日约100 天的停挖期间,边墙浅部(表层) 围岩仍有约10 mm 变形增量,图3 给出了典型测点的变形速率过程线,可以看出在停挖初期围岩变形速率较大,之后逐渐减小并趋于稳定;在约100 天的停挖期间其平均变形速率约0.1 mm/d。

图3 典型测点变形速率过程线Fig.3 Deformation rate process line of typical measuring points

(3) 试验洞左边墙围岩变形较大,最大变形达到约50 mm;围岩变形影响深度较深,预埋多点位移计各测点沿洞壁的变形分布见图4,由图4可见,试验洞开挖结束后距试验洞边墙4.6 m 测点变形约5 mm、6.6 m 测点变形约4 mm、7.8 m测点变形约3 mm,综合来看边墙围岩的变形影响深度达到8 m 以上。

图4 B-1 测点沿洞壁距离的变形分布曲线图Fig.4 Deformation distribution curve of B-1 measuring point along the distance of the cave wall

3.2 即埋多点位移计监测成果及分析

试验洞B-B 监测断面右侧边墙及顶拱即埋的2 套四点式多点位移计的监测成果见图5、图6,从过程线图可见：

图5 顶拱即埋多点位移计B-2 测值过程线Fig.5 Process line of B-2 measurement value of top arch and buried multi-point displacement meter

图6 右边墙即埋多点位移计B-3 测值过程线Fig.6 The measured value process line of the buried multi-point displacement meter B-3 on the right wall

(1) 试验洞右边墙围岩表面变形约10 mm,比左边墙的围岩变形小约40 mm,说明在即埋多点位移计安装埋设前围岩的大部分变形已被释放,即埋多点位移计只捕捉到围岩相对较小的部分位移。

(2) 试验洞顶拱围岩变形约为2～4 mm,远小于边墙的围岩变形,说明洞室开挖形成后的拱效应对顶拱变形有一定的制约,顶拱部位主要出于受压状态。

(3) 右边墙的围岩变形影响深度范围要大于顶拱的,其中右边墙的变形影响深度在2 m 以上,而顶拱的变形影响深度约0.8 m。

(4) 综合预埋多点位移计和即埋多点位移计的监测成果,绘制监测断面在试验洞K1+768～K1+786 洞段开挖期间典型围岩变形增量过程线见图7,由图可见,试验洞围岩变形总体上左边墙大于右边墙、右边墙大于顶拱。

图7 B-1 断面不同部位表面变形增量对比Fig.7 Comparison of surface deformation increments at different parts of section B-1

3.3 软岩试验洞与玄武岩试验洞围岩变形对比分析

软岩试验洞与某水电站玄武岩试验洞的布置形式基本一致,均布置有观测支洞预埋多点位移计观测边墙围岩在开挖期间的全过程变形情况,其中玄武岩试验洞围岩为典型的柱状节理玄武岩,岩性较硬;软岩试验洞围岩为典型的二云片岩,岩性较软。将软岩试验洞与玄武岩试验洞的监测成果进行对比,见表3。

表3 软岩试验洞与玄武岩试验洞监测成果对比Tab.3 Comparison of monitoring results between the soft rock test cave and the basalt test cave

由表3 可见,软岩试验洞的尺寸较玄武岩试验洞稍小,但无论是从边墙变形、顶拱变形、变形影响深度、围岩松弛厚度还是围岩蠕变增量,均要明显大于玄武岩试验洞,说明软岩具有变形量值大、变形影响深度大、围岩松弛厚度深以及蠕变明显等特点。

4 结语

根据监测成果分析,某水电站软岩试验洞围岩的变形规律及围岩支护建议如下：

(1) 围岩变形量值大,左边墙最大变形已达到50 mm 以上;

(2) 围岩变形影响深度范围大,边墙围岩最大变形影响深度达到8 m 以上,而顶拱围岩的最大变形影响深度约0.8 m;

(3) 围岩的蠕动变形较明显,在约100 天的停挖期间,围岩最大变形增量达10 mm,平均变形增量速率约0.1 mm/d;

(4) 边墙的围岩变形明显大于顶拱的围岩变形,表明洞室开挖形成后边墙围岩;

(5) 针对软岩可采用预留刚隙柔层支护技术,在柔性喷层和钢架之间预留一定量的空隙,在刚隙柔层的控制下,围岩有限制的充分变形,从而形成比较均匀的外部塑性工作状态区和内部弹性工作状态区,以达到把高应力能量转化为变形、高应力转移到围岩内部的目的,待柔性喷层与钢架接触时,再喷射混凝土永久支护。