锦屏一级水电站左岸抗力体基础处理洞室群围岩稳定性分析.pdf

72探矿工程(岩土钻掘工程)第36卷第9期锦屏一级水电站左岸抗力体基础处理洞室群围岩稳定性分析王胜，黄润秋，祝华平(1．成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川I成都610059；2．中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都610072)摘要：通过对锦屏一级水电站左岸抗力体五层洞室岩体结构特征详细调查，采用水电围岩分类的方法对抗力体洞室进行围岩分类。分类结果表明：抗力体洞室围岩以Ⅲ2类围岩居多，占了50％左右，其次为Ⅳ类，占36％左右，Ⅲ1和V类围岩所占比例较少。通过对洞室施工开挖失稳破坏现象的调查研究，分析了洞室失稳破坏的机制及破坏形式，认为围岩主要的破坏形式为弱面控制型的块体滑移塌落。对洞室监测资料的分析结果表明，在目前的支护条件下，总体监测未见异常，整体上基础处理洞室监测状态稳定。但、一。断层及煌斑岩脉等软弱部位应力及变形缓慢增加，需要加强监测。最后根据分析结果提出了建议。关键词：抗力体；围岩分类；破坏机制；块体；监测；稳定性中图分类号：TV731．5；TU457文献标识码：A文章编号：1672—7428(2009)09—0072—05AnalysisonStabilityofSurroundingRockofUndergroundChamberGrouponLeftBankResistingRockofJin-ping—IHydropower／WANGSheng，HUANGRun—qiu，ZHUHua-ping(1．ChengduUniversityofTechnology，ChengduSiehuan610059，China；2．HydroChinaChengduEngineeringCorporation，ChengduSiehuan610072，China)Abstract：BythedetailedsurveyonthestructurefeaturesofleftbankresistingrockofJinping—Ihydropower，resistingrockchamberswereclassifiedwithsurroundingrockclassification．50％resistingrockchambersbelongtOllI2．about36％belongto1V，andtherestbelongto1]I1andV．Bythestudy011excavatingdestabilization，analysiswasmadeonthesta—bility—loosingmechanismandthedeformationpattern．Weak—plane—controllingblockglidingandcollapsingwerethoughttobethemaindeformationpattern．Accordingtotheanalysisonthechambermonitoringdata，noevidenceshowedanyabnor-mal；butdeformationofF5，2—9faultsandlamprophyredykewereslowlyoccured．Thepaperputforwardtheconstrue—tionproposa1．Keywords：resistingrock；surroundingrockclassification；destructionmechanism；block；monitoring；stability0引言传力洞及固结灌浆等对左岸抗力体进行基础处理。地下洞室开挖后，在卸荷回弹、应力重分布及水基础处理分1885、1829、1785、1730、1670m高程五分的重分布作用下，围岩的性状会发生很大的变化，层布置，每层布置有施工主通道、施工次通道、帷幕如果围岩岩体承受不了回弹应力或重分布的应力的灌浆洞、坝基排水洞、固结灌浆洞、排水洞、抗剪传力作用，围岩将发生塑性变形或破坏¨。在国内外由洞(兼固结灌浆洞)以及断层、煌斑岩脉的网格置于地下洞室围岩失稳而造成的事故为数甚多。为了换洞，于是在抗力体部位形成了庞大的基础处理洞保证工程安全，必须了解和掌握地下洞室围岩的应室群。施工期洞室群的围岩稳定性问题突出，需要力状态，变形破坏机制和分析评价围岩稳定性，为正对其进行围岩稳定性分析。目前抗力体部位洞群开确解决地下建筑的设计和施工中的各类问题提供充挖完成，根据开挖洞室及部分洞室底板揭示的地质分可靠的地质依据。条件，对左岸抗力体洞室群围岩稳定性进行分析。锦屏一级水电站左岸抗力体主要为建基面以里Ⅱ1～I线之间一定深度范围内的岩体，其工程地质1抗力体工程地质条件条件复杂，主要的软弱结构面有、、F一断层、该水电站坝址位于普斯罗沟与手爬沟间1．5煌斑岩脉、深部裂缝及低波速岩带、层问挤压带等，km长的河段上，河流流向约N25。E，河道顺直而狭这些软弱结构面对坝体受力状态和变形稳定等均会窄，谷宽约410m。坝区两岸山体雄厚，谷坡陡峻，产生较大影响。根据拱坝左岸工程地质条件，采用基岩裸露，相对高差千余米，为典型的深切V形谷。}昆凝土垫座置换、软弱结构面混凝土置换网格、抗剪岩层走向与河流流向基本一致，左岸为反向坡、右岸收稿日期：2009—06—08：改回日期：2009—08—17作者简介：王胜(1982一)，男(土家族)，重庆黔江人，成都理工大学在读博士，地质工程专业，主要从事岩土钻掘及工程地质方面的研究工作，四川省成都市成都理工大学环境与土木工程学院博二，yongyuandewangsheng@sina．coin。 2009年9月探矿工程(岩土钻掘工程)73为顺向坡。定量综合评价的方法，通过查明围岩的地层岩性、岩左岸无大的深切冲沟，1820～1900m高程以下体强度特征、结构完整性、结构面的主要性状与方大理岩出露段，地形完整，坡度55。～70。；以上砂板位、地下水状况、地应力水平等多个因素，从而对围岩出露段坡度35。～45。，地形完整性较差，呈山梁岩的整体稳定性作出判别，进而为指导支护设计和与浅沟相间的微地貌特征。施工开挖提供较为合理的地质依据。根据左岸抗力左岸抗力体范围内出露的基岩为：体洞室群岩体强度差异大、结构面较发育、地应力(1)中上三叠统杂谷脑组第二段(T：_3Z2)大理高、地下水局部较活跃的特点，选择《水利水电工程岩，总厚度约600m，分布于1820m高程以下，按岩地质勘察规范》(DZ／T0220—2006)建议的方法(简性细分为8层，左岸抗力体涉及第4～8层大理岩；称为水电围岩分类法)，对左岸抗力体洞室围岩进(2)中上三叠统杂谷脑组第三段(T3)砂板行工程地质分类。岩，出露于1820～2300m高程间，厚度约400m，按2．1分类指标及评分标准岩性细分为6层，1、3、5层为粉砂质板岩，薄层状，水电围岩分类是以控制围岩稳定的岩石强度、2、4、6层为变质砂岩，厚～巨厚层状，左岸抗力体涉岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状5项因素之和的总评分为基本判据，围岩强度应及1、3层粉砂质板岩和2层变质砂岩；(3)煌斑岩脉(x)，一般厚2～3m，局部达7m，力比为限定判据而对地下洞室进行围岩分类的。综合分析水电围岩分类的几个指标，影响围岩产状N50。一70。E，SE~60。～80。，分布于左岸坝基稳定的因素首推岩体的完整程度，国内外众多的围及抗力体内，在1680m高程以上普遍弱一强风化，岩分类法，都十分强调结构面对岩体的分割和其性1680m高程以下多微风化～新鲜。状对岩体质量的恶化。岩体完整性系数是表征研究区地质构造复杂，受区域构造应力影响，抗岩体完整程度的定量指标，准确描述岩体完整性对力体内断层较发育。其中NNE～NE向最为发育，且围岩分类具有重要意义。断层规模较大，主要发育、、断层。NEE～EW该水电站左岸抗力体由于洞室埋深较大，声波向断层也有一定发育，主要有左岸坝头的一断层。纵波速级差不明显，用声波计算的Kv值不能准确受构造作用影响，岩体中层间挤压带及裂隙发反映岩体的完整性。另外抗力体范围内声波主要测育，层间挤压在空间分布上受层位岩性控制明显，主试了单孔声波值，而对穿声波测试数据较少，无法达要发育在第二段T_3Z2(6)层大理岩和第三段砂板岩到对岩体完整性进行评价的数据统计要求_2j。因中。裂隙主要发育5组优势裂隙，各高程裂隙发育此主要采用岩石质量指标(pD)和岩体体积节理情况有所差异。①N15。～80。E，NW~25。～45。，层数()，同时参考岩体块度指数(RBI)和岩体结构面裂隙；②N50。～70。E，SE~50。～80。；③近sN～类型来综合确定岩体完整性系数的大小，它们N30。E，SE60。一80。；④N60。W～EW，NE(SW)或基本能够准确地反映岩体的完整程度。通过对抗力S(N)~60。～80。；~N30。～50。W，NEL60。～80。。体洞室地质编录及底板精测资料的分析，得到了抗抗力体总体上具有卸荷深度大，卸荷裂隙张开力体岩体完整性系数取值表(见表2)。Kv值确宽，卸荷类型较复杂等特点。既有浅表常规卸荷，又定后，综合其它4个指标便可方便的采用水电围岩有深部卸荷。表1为卸荷带深度表J。分类的方法对各洞室进行围岩分类。表1抗力体卸荷带深度表表2岩体完整性系数Kv取值表罄禾旱喜序岩体完K整系数RQDRBI．，岩体结构。．完整K>0．75l0o一85>45<8整体状较完整0．75≥K>0．5565～853O～458一l5块状一次块左岸岩体内地下水位低平，与江水位基本一致。完整性差0．55≥>0．3545—6515～3O15～2O碎裂镶嵌较破碎0．35≥K>0．1525～45<1520—30碎裂抗力体内地下水不发育，大多洞段干燥。局部沿破碎K<0．150～25／>30散体断层、煌斑岩脉及第④组裂隙渗水、滴水。2．2围岩分类结果及分析2洞室群围岩分类采用水电围岩分类法，得到了抗力体五层开挖围岩分类是对地下工程的岩体质量进行定性与洞室围岩分类的结果。对其进行统计分析，得到了 74探矿工程(岩土钻掘工程)第36卷第9期五层洞室围岩分布统计图(图1)。面控制型和混合控制型3种基本类型_lJ。具体每种类型包括多种破坏形式，不同的破坏形式对应于5O不同岩质、岩体结构及力学机制。40该水电站左岸抗力体岩性主要是砂板岩和大理岩以及局部的煌斑岩与绿片岩，在工程地质岩组一乎3O＼定时，岩体内结构面类型、发育程度、张开充填情况、嚣2O岩块尺寸大小等岩体结构特征，就成了制约岩体力学特性和影响岩体质量的关键因素。左岸抗力体岩10石建造类型复杂，层厚变化大；构造改造强烈，岩体O内不同类型的构造结构面发育；谷坡形成后由于地类别应力释放，浅表一定范围内的岩体沿结构面松弛拉图1抗力体五层洞室围岩分布统计裂张开明显，进一步降低了岩体的完整性。根据开由图1可以看出：开挖的抗力体各洞室中，Ⅲ2挖洞室揭示地质资料的调查分析，综合原岩建造及类围岩居多，占了50．4％，其次为Ⅳ类，所占比例为构造和浅表生改造结果，将抗力体岩体结构分为厚36．1％，接下来是111类，所占比例为8．4％，V类围层～块状结构、中厚层一次块状结构、互层状结构、岩最少，只占了5％左右。左岸抗力体所处地层条薄层状结构、块裂～镶嵌结构、块裂～碎裂结构、板件复杂，断层及煌斑岩脉等构造带发育，加之五组裂裂～碎裂结构和散体结构8种类型。根据抗力体基隙相互切割，使左岸抗力体岩体质量差，并且由于风础处理洞室群开挖过程中对大量围岩变形破坏及塌化卸荷及地下水的影响，以及主要的结构面与洞身方实例的调查、分析研究，认为抗力体围岩主要的破的特定的组合关系，导致了抗力体洞室围岩稳定性坏形式为弱面控制型的块体滑移塌落，表现为围岩差。围岩主要类型为In2类，其次为Ⅳ类，少量Ⅲ1中局部特定块体的稳定性问题。围岩出现局部失稳类及V类。可见，近60％围岩稳定性差，另外40％的原因主要是由于岩体中的软弱结构面与洞室的临左右围岩不稳定一极不稳定，Ⅳ类和V类主要集中空面的不利组合所构成的不稳定性块体的掉落和塌在F、、，一断层、煌斑岩脉、松弛岩带及深部裂落所致。目前在地下洞室设计、锚喷支护技术规范、缝等部位。需要及时采取喷锚支护等措施确保洞室水利水电工程地质勘察规范中，规定必须对围岩进围岩稳定。在这些软弱带中，尤以断层和煌斑岩行局部稳定性分析，当原设计不能满足稳定性要求脉的岩体质量问题最为突出，因此在抗力体部位时，必须对不稳定块体进行局部加固。1670和1730m高程布置了断层置换洞，以及在左岸抗力体基础处理洞群的开挖过程中，局1730、1785和1829m高程布置了煌斑岩脉置换洞。部洞段发生了掉块、滑塌等，如不及时采取措施，这并且在置换洞之间布置了斜井。其目的是改善软弱些局部部位的变形破坏就会发展，从而有可能对洞部位的岩体质量，提高抗力体洞群围岩稳定性，满足室的整体稳定性产生较大的影响。在进行块体稳定拱坝对左岸抗力体的岩体质量要求。在置换洞的开性分析过程中，在施工开挖后对左岸抗力体各洞室挖过程中，由于本身岩体质量差，在施工爆破影响进行详细施工地质编录的基础上，通过分析各结构下，围岩稳定性问题突出，特别需要及时进行支护，面的发育情况及其与洞室的关系，以及地下水等的并且做好监测工作。影响，初步确定了22个不稳定块体及其特征。概括而言，主要是由于5组裂隙的某几组相互切割，加之3块体稳定性分析其它一些断层等结构面的影响，受施工开挖爆破影围岩岩体的变形和破坏的形式和特点，除与岩响，容易在洞室顶拱和边墙形成不稳定块体，易沿陡体内的初始应力状态和洞形有关外，主要取决于围倾结构面产生滑塌、掉块等变形破坏。各种潜在的岩的岩性和结构。围岩的稳定性问题主要是变形的不稳定块体在各层洞室中都存在，相比顶拱而言，洞问题，但在洞室开挖过程中，各种形式的局部破坏也室边墙存在的不稳定块体更多。因此，为了保证工经常发生，需要对其进行分析研究并及时处理，防止程安全，需要在对块体的边界条件的确定、可动块体因局部的破坏导致洞室的整体失稳。围岩失稳破坏的判别、块体几何参数的确定、块体的运动学分析的的机制可归纳为围岩强度一应力控制型、软弱结构基础上，得出块体的稳定性系数及其破坏模式，确定 2009年9月探矿工程(岩土钻掘工程)75出相应的围岩压力，从而为这些不稳定块体的支护馈设计的方法。措施提出具体的方案。左岸抗力体存在、、一断层和煌斑岩脉等于洞室稳定不利的软弱结构面，洞室围岩稳定性4监测分析问题突出，因此，在基础处理洞室监测方面作了比较随着现代测试技术和手段的进步，岩体及围岩全面的考虑，在软弱结构面或洞室交叉口等容易变特性的监测已成为地下洞室围岩稳定性分析评价的形破坏的部位设计布置了各种监测设施，主要包括重要方法。通过布置位移和应力监测系统，以此获多点位移计、锚杆应力计、钢筋计、位错计等，形成了得随洞室开挖及支护过程有关围岩稳定性及支护工一套较为完整的监测系统。尤其注重对置换洞、作状态的真实信息，通过分析评价围岩稳定性和支：一抗剪洞及煌斑岩置换洞的监测，达到了基础处护效果，为进一步有针对性的修改支护参数及后续理洞室施工期监测的目的。图2为1670m施工次的开挖提供依据。这个过程可随开挖及支护的每一通道下游边墙桩号K0+160布置的M1多点位移循环，不断调整优化。这种动态的监控，既是对围岩计位移过程曲线，图3为对应的锚杆应力计应力变稳定性及支护效果的直接监测，又是一种信息化反化过程线J，旨在对断层进行监测。·‘2[)_(】婷15．0擀舣×’曼。义日期／(年一月一日)——1—1号测点(距孔口3．5m)——-一2号测点(距孔口8．5m)——3号测点(距孔口13．Om)——*一孔口位移--x一-基座温度图21670m施工次通道下游边墙K0+160布置的M1多点位移计位移过程曲线3：·026．O22．0l8．0l4．Ol0．0——·一应力一一-温度图31670m施工次通道下游边墙K0+160布置的R1锚杆应力计应力变化过程曲线通过对截止2008年8月1日抗力体洞室各类分别为一2．2和一12．27MPa。总体来看监测部位监测资料的综合分析，初步得到以下几方面认围岩状态基本稳定。识：’(3)1785m高程：1785m施工次通道外侧壁K0(1)1670m高程：抗力体固结灌浆平洞各监测+130处的多点位移计M3位移持续上升，目前孔部位物理量累计量值较小，通过断层部位的多点口位移为15．19mm，变化速率达到了0．042mm／d，位移计M1孔口位移呈波动变化，锚杆应力小幅调变形持续进行，暂时没有收敛迹象，同部位的锚杆应整。总体来看监测部位围岩状态基本稳定。力计也表现为拉应力增加，目前应力值为127．68(2)1730m高程：1730m一1号固结灌浆洞K0MPa，位移与应力反映趋势基本一致，初步认为是与+95多点位移计M7及锚杆应力计通过断层，目前边坡正进行开挖导致的岩体卸荷回弹有关，需旨在对断层变形和位移进行监测，监测结果显示进一步加强监测。位移及变形都很小，孔口位移仅为0．21mm；布置于(4)1829m高程：1829m施工次通道外侧壁K0下游边墙和顶拱的锚杆应力计R7和R8其应力值+025处的M11孔口累计位移为8．77mm，从整个 76探矿工程(岩土钻掘工程)第36卷第9期变化趋势看，位移持续缓慢增加，目前未见收敛，同塌落。通过对洞室典型块体稳定性分析，认为主要部位的R11锚杆应力计截止2008年8月1日累计是由于①、②、③、④裂隙的某几组相互切割，加之其应力为132．43MPa，应力变化速率为0．367MPa／d，它一些断层等结构面的影响，受施工开挖爆破影响，应力一直持续增加，R11应力与M11位移变化规容易在洞室顶拱和边墙形成不稳定块体，易沿某些律基本一致。该部位煌斑岩脉穿过，监测结果表明结构面产生滑塌、掉块等破坏。但块体分布有限、规煌斑岩脉处于进一步变形过程中，需要进一步加强模小，一般多小于10m，经处理后围岩稳定。监测。(3)对基础处理洞室监测资料进行了整理分(5)1834in高程：该高程的监测仪器主要针对析，监测结果表明，在目前的支护条件下，总体监测一断层进行监测，监测结果表明，截止2008年7未见异常，整体上基础处理洞室监测状态稳定。但月17日，M19号多点位移计3号测点位移值达到、一断层及煌斑岩脉等软弱部位应力及变形缓了15．17mm，同部位的锚杆应力计Rl9应力值为慢增加，建议加强施工期的变形监测，及时修改和优65．08MPa，其余多点位移计各测点累计位移量比较化支护措施。小，总体表现为缓慢位移增加，变化速率都很小。锚(4)综合分析认为，对抗力体围岩稳定起控制杆应力计与位移计同断面布置，其中R15锚杆应力性作用的是、、断层、煌斑岩脉、松弛岩带计应力值较大，2号测点应力达到了54．69MPa；及深部裂缝等Ⅳ类和V类围岩，块体稳定性问题是R20锚杆应力计应力值为一61．43MPa，R24锚杆局部问题，经及时支护后对洞室整体稳定性影响不应力计其应力值为83．08MPa，其他锚杆应力计应大。在软弱结构面特别是其交汇部位，容易产生应力值都比较小，表现为缓慢的应力增加。表明1834力集中，形成塑性区，其长期变形对抗力体围岩稳定m高程一断层处于缓慢变形之中，需要进一步加不利，建议在此基础上进行数值模拟，根据围岩弹塑强监测。性应力应变分析，地质力学模型试验、施工开挖期围(6)监测结果表明，总体监测未见异常，物理量岩变形监测及弹性波速测试成果，结合洞室围岩地变化与开挖施工岩体卸荷回弹有关，整体上基础处质条件和已实施的支护措施，进一步对洞群围岩稳理洞室监测状态稳定。定性及支护效果进行工程地质分析与预测，为支护设计的优化提出建议。5结论与建议本文在大量现场调查和已有成果综合分析基础参考文献：上6娟』，结合锦屏一级水电站左岸抗力体基础处理[1]张倬元，王士天，王兰生．工程地质分析原理[M]．北京：地质出版社，1994．洞室工程实际，通过系统的分析研究工作，初步得到[2]国家电力公司成都勘测设计研究院雅砻江锦屏一级水电站以下几点认识。可行性研究报告[R]．2003．(1)在详细的施工地质编录基础上，按照水电[3]国家电力公司成都勘测设计研究院．左岸抗力体质量评价及固结灌浆研究[R]．2008．围岩分类的方法，对锦屏一级水电站左岸抗力体五[4]陈祖安，彭土标，等．中国水力发电工程(工程地质卷)[M]．北层基础处理洞室群进行了围岩分类。分类结果表京：中国电力出版社，2000．明：在开挖的抗力体各洞室中，Ⅲ2类围岩居多，占[5]何玲明，詹静生，等．雅砻江锦屏一级水电站工程安全监测资料分析年报[R]．2008．了50．4％，其次为Ⅳ类，所占比例为36．1％，m1类[6]黄润秋，许模，等．复杂岩体结构精细描述及其工程应用cM]．围岩较少，所占比例为8．4％，V类围岩最少，占了北京：科学出版社，2004．5．1％。总体来讲，自然条件下围岩稳定性差，部分[7]黄润秋．岩石高边坡发育的动力过程及其稳定性控制[J]．岩石力学与工程学报，2008，(8)．洞室洞段围岩不稳定，比如F断层置换洞、煌斑岩[8]卢书强，巨能攀，等．岩体质量对地下洞室围岩稳定性的影响脉(x)置换洞和一抗剪洞等，需及时跟进支护措[J]．地球与环境，2005，(B10)．施，确保施工期洞室围岩稳定。致谢：本文得到了成都理工大学“锦屏一级施工地质专题”项目(2)通过对施工开挖洞室失稳破坏现象的详细组的大力支持，在此向项目组的各位老师和同学表示感谢。另外，感调查，分析了各种失稳破坏的机制及形式。认为抗谢中国水电顾问集团成都勘测设计研究院对作者工作的支持!力体围岩主要的破坏形式为弱面控制型的块体滑移