溪洛渡水电站左岸地下厂房洞室开挖围岩稳定性分析.doc

1、溪 洛渡水电站 左岸 地下厂房洞 室 开挖 围岩 稳定 分析 摘要 ： 由 二叠系上统峨眉山玄武岩组成的坝址岩体 大部 分 属于块状岩体 ， 对洞室开挖有利 ，但 存在构造节理、 岩 体顺层错动、错位 、 层内错动、原 生柱状节理等岩体结构面。这些 结构面的组合将在电站厂房等大型洞室开挖中对岩体稳定形成不利影响。 关 键 词 ： 地下洞室 ； 结构面 ； 开挖稳定 1 地质背景 1.1 坝址地质地貌条件 坝址区位于雷波永善构造盆地中的永盛向斜之 西翼，系一总体倾向南东的 似 层状玄武岩组成的单斜构造，缓倾下游左岸。顺流方向上，地层产状呈“陡 缓 陡”的平缓褶曲， 坝址位于峡谷中部 的 产状平缓

2、段。两岸走向变化较大，左岸 N20 40 度 W/NE 4度， 工程区地震基本烈度 度 。 金沙江流向在坝址区 河道顺直，谷坡陡竣，地形完整。 峡谷的形成主要经历了新构造运动的两个阶段， Q2末 到 Q2 中期，本区的地壳上升率较为缓慢，形成了两岸阶 地， Q2 末期以来，地壳上升速度加快， 金沙江急剧下切，从而形成谷坡 狭 窄的 U形峡谷地貌 。 1.2 地层岩性 坝址区河床基岩及两岸 基岩 由二叠系上统峨 眉 山玄武岩（ P2）组成，二叠系下统茅 口组石灰岩 （ P1 ） 埋深于坝基以下 70。 峨眉山玄武岩成因为多期喷溢性火 山岩流 ， 坝址区总厚度 490 520，共进行 了 14 个

3、喷发旋廻，因此形成 14 个岩流层。岩流层一般厚 25-40，其中 P2 6和 P2 12 厚度较大，平均厚 72M 和 82。 P2 10 和 P2 11 厚度最小 ， 厚度 13和 14。每层厚度相对稳定，起伏差小于 5。 玄武岩为隐 晶 质结构。 每层 下 部 构造为块状构造，岩性坚硬 均一。中1 部为杏仁状构造。上部为气孔 状构造，原生柱状节理发育。顶部 不同程度地存在由于喷发间歇时 火山灰形成的火山凝灰岩。 2 岩体结构面 坝址区岩体结构面主要是顺层开裂面和层内缓倾角剪切面 ；构造节理；原生柱状节 理； 及边 山卸荷节理。 2.1 层间 错动 顺层开裂错动面，发生在喷发旋廻形成的层面

4、之间，总体产状与岩流近于一致，呈舒缓波状起伏。错动面上部较破碎，厚度 5 10C，局部20 30C左右，破碎带岩层 呈 碎 裂状，组成物质为 0.5 3C玄武岩角砾，含少量岩屑 间 夹 错 动黄色软弱夹泥。 2.2 层内错动 层内错动 带，属于缓倾角，走向变化大，主要发育 4组 30 70 /SE 10 25 ； 10 50 W/NE 10 25 ； 5090 E/NW 10 25 ； 30 70 W/SW 10 25 。 层内错动带 节理 发育间距一般约 5，错动带长度 20 50为主，错动带之间多有透镜 体状分布 并且擦痕明显 ，深层错动带宽 2 5c，上部可达 10 20c，浅表部由于风

5、化卸荷的影响，一般宽 5 20C，局部可见 30C，结构特征为岩块岩屑型；含屑角砾型和裂隙岩块型。 2.3 节理裂隙（原生节理） 玄武岩裂隙较发育，延伸长度 2-3，个别 4-5，主要发育 6组 ： EW/S（ N） 75-85 ; N40 60 /N/SW（ NE） 70-80 ; N2030 W/SW（ NE） 65-85 ; 0 80 E/SE（ NW） 65-85 ; N20 40E/SE（ NW） 65-85 ; N15 35 W/NE（ SW） 5-20 发育特征如下； 1）组 节理 发育分布 ， 占 陡 倾角裂隙总数的 22%，次发育的依次为组。 2）在同一部位发育的 陡倾 角裂

6、隙只出现 1组，很少出现 3 组同2 时陡 倾角裂隙的情况，按发育 程度排列序为 3）在上述总体规律前提下，各岩流层都分别在层的顶部 其中次发育的角 陡倾 裂隙在 6层为， 7、 8、 10、 12，层为第组。 4）裂隙短小、未贯穿整个岩流层，一般深 2 3m，个别可达 4 5m，总体呈 六方柱状 节理 。 5） 各组 裂隙为刚性结构面，除卸荷带裂隙松弛和部分张开外，节理面 一般闭合， 裂面较平直粗糙 。 6）局部节理在原生节理 基础上，经构造形成，较 长的节理 。 在各岩组的表层发生的上述节理，成因为成岩节理 ，即岩流形成以后，表层急剧冷却形成 ，南方气温 较高，因此所形成的节理短小 密闭

7、并密集成带。 3 错动结构面形成 原因分析 3.1 构造 对溪洛渡电站 工程 影响的构造 主要有；马边盐津 隐伏断裂 ， 该断裂为切割莫霍 面的 NW向活动性断裂 带 ， 在新生代早中期有过多次活动； 凉山断裂束呈等距分布，峨边金阳断裂距坝址西 20Km，为一条切割不深的浅层断裂。 坝址两岸的地下厂房，位于连峰断裂， 峨边金阳断裂和马边盐津隐伏断裂三条所控制的范围内，虽然相对稳定， 但足以形成两岸 岩 体内的层间错动和层内错动带。 （见图 1） 3.2 形成时间及影响 层间错动形成间应该拌随该区域构造发育时发生第四纪初期河床下切以前 ,大约 15 万年前 .它的形成不仅对洞室开挖稳定潜在隐患

8、,并且是坝肩开挖位移的主要因素。 3 图 1：溪洛渡水电站构造纲要图 3.3 地应力 溪洛渡 坝址左岸地下厂房 目前地应力最大主应力轴线与金沙江河谷近于平行，以 NW NWW向为主 与岸坡呈 10 30 度 夹角。三向应力 114.79 21.06MPa,平均值为 17.94 MPa; 2 10.05 15.85MPa平均值为13.10MPa； 3 4.05 7.59MPa平均值为 5.73MPa。 经分析应力场仍以近水平的构造应力为主。应力场的方向为 N向，地应力与原构造主应力方向已发生了很大的变化，分析认为第四纪以来，河谷下切两岸岩石发生卸荷成为原始应力释放的窗口，即使如此，地应力的作用仍

9、 对 错动层 起了较大的作用。 4 4、 围岩稳定性 评价 溪洛渡电站地下厂房及洞室群 开挖 后，围岩稳定受一 系列因素影响，主要的因素是岩性，地质结构（包括地应力）和水文地质条件；工程因素是洞室的规模（跨度、高度），段面的形状与结构 及洞线的方向； 施工因素 ： 包括施工方法（爆破方式，装药量）施工顺序以及是否能及时支护。 4.1 岩石特性的影响 岩性是影响洞室稳定性最基本因素。坚硬完整的 岩 石，为洞室稳定基本保证，不需支护 就 能适应各种形状尺寸的洞室；而软弱岩石洞室稳定性很差，围岩易产生各种变形破坏， 断 面尺寸较大的洞室施工加固困难。 往往要 采取 较 复杂的支护措施 。溪洛渡左岸地

10、下洞室 属于 软硬相间 的岩石 ，属于相对软弱岩层凝灰岩不同 程度地分布于每次喷旋 回的末期，强度较低，容易变形破坏，受区域构造的影响，特别是马边大断裂的影响 ，沿软硬层的交界面发生了 层间错动和 层间破碎带， 破坏了岩体的完整性，这种岩体的稳定性是比较差的。 4.2 地质构造的影响 溪洛渡电站坝址区前期勘测中 ,虽然未发现大的构造断裂 ,但受区域构造影响 并处于构造应力挤压形成 的单斜构造上 ,溪洛渡 左岸地下 厂房 ,除三大洞室呈大致南北向分布外 ,其它洞室纵横交错 ,在 隧 洞通过 单 斜构造单元时 ,其稳定性是很不同的 ,尤其 是构造应力和地应力相互作用下 ,形成的层间错动 ,层内错动

11、的类型和特征 与其隧洞 方向的关系 ,决定围岩的破坏形式。不同结构形式变形破坏的难易程度和形式有很大差别，例如，在坝址这个单斜构造上 ，岩层的产状不同，缓倾和陡倾的其破坏形式 和部位就不同，地应力的存在情况及其强度，以及地应力场和洞线的夹角 ，对洞室的稳定影响很大，为了引起我们的注意，下面根据溪洛渡 左岸对 地质体 宏观认识，就单斜、层间错动岩体结构面组合等方面加以分析。 1）单斜构造的影响 5 坝址区玄武岩分 14个岩层，在构造应力作用下 ，左岸形成向下游倾斜的单斜构造。若洞室轴向与岩层走向垂直， 稳定性 优 于与岩层走向平行的洞室 ；而且垂 直走向的情况下又以岩层陡立较好。如果岩层较厚，水

12、平岩层也是有利的。左岸 虽 然 组成的岩层较厚，但层面为缓倾角，当层面揭露后是不稳定的，特别是地下水的参与加之有软弱夹层情况则更不理想。 隧洞轴 线 平行于岩层走向，例如 1#交通洞，由于隧洞位于翼部会出现支护不对称压力 ， 可能 发生 顶部冒落。 2）错动结构面的影响 溪洛渡电站岩体的层间错动和层内错动， 对于玄武岩 厚层状结构作围岩，其强度主要受错动软弱结构面的控制并取决于这些结构面的组合关系和洞室方位关系。 另外这些结构面如果存在破碎带或者具有软弱夹层，并且走向与洞轴交 角愈小在洞 内 出露的长度 愈大，影响就愈大。如果有地下水作用，围岩稳定性则更差。根据前期勘察资料所描述的层内错动走向

13、所做赤平投影（ 如图 2b） ： 根据赤平投影结合其他结构面的组合，溪洛渡洞室开挖后会存在 剖面上有 下 列三种 组合 关系。这三种结构 面组合 形式如不及 时支护都可能潜在围岩稳定问题 。 （ 如图 3 a、 b、 c） 。 NESW金沙江ENWS江沙金a. 节理裂隙赤平投影图 b. 层间错动赤平投影图图26 一般说来，左岸所处洞室稳定性较好，大多可以依靠围岩自稳能力保持稳定，甚至不需要支护，但 层内 错动结构面的组合其主要形式为：沿型错动结构面，特别是结构面 软弱浸水时，这种滑 移面对洞室 开挖 稳定会造成一定的威胁。 3） 左岸地下厂房根据 地勘 资料介绍存在六组节理，大多数近于垂直，分

14、析 属于玄武岩表层喷发冷却，形成柱状节理，而这种垂直六方柱状节理，受后期构造应力作用，进一步 改造拉宽，有时会充填夹泥，这样就容易形成柱形分离体，楔形分离体，锥形分离体等，我们不妨将 6组节理做赤平投影加以分析， （ 见图 2 a）。 a、玄武岩存在夹泥的陡立结构面，是不利的，因为若这种结构面发生在洞顶 即川字型结构 ，则 往往在重力的作用下产生分离体。沿软弱结构面发生塌方 ； 另外分布于拱顶缓倾角，结构面往往容易形成拉裂面，这 种结构面若性质软弱延伸性较好，发育频率越高，对围岩稳定不利。最好的方法是锚喷及时支护。 4. 顶部陡倾角节理4422c2313. 层内错动线2. 中层错动线1. 顶层

15、间错动线b 313. 层内错动线2. 大倾角错动线1. 顶层间错动线a3213. 下部层间错动线2. 层内错动线1. 顶层间错动线图 3图4 结构面组合与岩块稳定关系a b c d7 b、楔形分离体在地下厂房玄武岩快状岩体中十分普遍， 从 赤平投影可以看出，当岩体内 同一组节 走向相同倾向 相对 ，或倾角不同的结构面时，常出现 上宽下窄的 分离体 节理 。 倾向相反，这种分离体 结 构面出现在拱顶 ，则相对稳定；若出现在侧墙临空则容易失稳（见图 4： b、 c）。 屋脊形（人字形）当分离体 位 于洞顶，是不稳定的 而位于在侧壁，则不易坠落 （见图4： a、 d） ，但要具体问题具体分析，所有的

16、岩 石结构面组合形成的分离体是否失稳， 规模大小主要取决于结构面的物质成分及物理力学性质。发育密度和光滑程度以及结构面之间，结构面与洞室方向之间的组合关系。 4.3 地应力的影响 前已 述及该取地应力方向为 NWW 向，地应力接近于水平，在三大洞室设计上已经考虑了地应力的方向与其洞轴线方近于平行，然而对于其它洞室 不可避免地与地应力方向垂直时，洞室的边墙会遭到它的影响，甚至破坏，当然还 取决于岩体抗力能否满足对于地应力的 作用 。 4.4 强风化玄武岩的变形破坏 强全风化玄武岩或者洞顶部为凝灰岩的部位属于散体结构，它的主要变形破坏形式易形成拱顶 冒落，当岩体 结构均匀时，冒落的拱顶比较规则。

17、围岩为松散结构时， 当垂直应力大于侧 向应力时 顶拱可能出现拉应力， 拱肩及 底 角存在剪应力 。 当这些力超过岩体的抗拉，抗剪强度时，就会在这些部位发生破坏，逐步 向深部 发展，脱离围岩，在自重作用下冒落，逐渐形成规则的自然平衡拱，这种规则形状 平衡拱 的形成也与应力分布有关；顶板拉应力分布是中间最大，两 侧较小，岩壁最大，向深部渐小。任其发展不加支护，则 经过一定的时间，应力再次分布，围岩继续风化，冒落将向深处发展，易 引起两帮片落，直到形成更高更宽的拱形而再次稳定为止。见图 5 8 我们从岩体力学的角度试分析 风化玄武岩自然拱的形成 过程 （图 5c）表示为 顶拱上 所构成的各个单元上伏

18、岩体压力 P 的作用下 因相互挤压力不足而松动坠落。新的拱顶形成以后，其力学状态 （ 如图 6b） 所示，当压力 P作用在拱圈外边缘上时，每个单元的岩快都会推着向内移动。这样 ，各单元都 会被挤紧，增加了各单元切向应力 F1 和各单元侧面间的摩擦阻力 f（如图 6a） ，切向应力 F1与摩擦力的垂直分力与上伏压力相等时，拱顶形成新的稳定平衡（如图 6c）。 原来所承受的拱顶岩体重量由拱圈传递到 两帮，如果 两 帮岩体不够坚固，则两帮或拱肩就会出 现片落现象 ， 使冒落拱扩大， 若 不及时采取措施，拱 顶的塌落会 出现累进性加速发展，造成严重后果。对于这类岩体结构最有效 的 临时支护措施 为 喷

19、砼封闭。 4.5 地下水的影响 溪洛渡电站地下水的补给条件不畅，排 泄 条件良好，受大气降水影响，隧洞 在近阶地前缘 620m高程一线 可能出现滴水、线状 流水或潮湿现象。拉应力 剪应力a 应力分布示意图b 围岩失稳过程示意图pc图5pf F1F1PF1 F1 F1 fb c图6 围岩顶拱失稳应力分析a9 但大多数情况下， 洞室较为干燥，因此即便通过软弱结构面或较为破碎的岩层时，洞室一般保持基本稳定， 或者危害比较轻微，且容易 处理 ，而当地下水存在时，问题则 较复杂 ，特别是金沙江水位以下的洞室，由于卸荷裂隙存在 ，贯 穿性节理的存在， 渗透系数 较 大，在外水压力作用下很可能与洞室形成水力

20、联系，局部地方发生涌水，这是应该特别注意的问题。因此必须在 有效形成 阻水帷幕以后再进行金沙江水位以下洞室开挖。 4.6 相邻洞室对围岩应力的影响 溪洛渡电站左岸地下厂洞室成群纵横交错，由于空间限制，往往可能忽略洞室之间 间距 问题，这是应该特别注意的。 由于围岩内 某一点的总应力等于两个洞室或多个洞室 在该 点的应力之和，故相邻洞室的存在通常使围岩应力的集中程度增高。水电部门规定压 力 洞相邻洞室的最小间距 1.0 3倍 的洞跨 ， 若小于 规定 要求 必须做好有效支护 和防渗措施，以满足稳定要求 。 另外隧洞相交 叉 使围岩的应力程度 叠加 ，也会使围岩的应力集中程度增高，例如左岸正在开挖的 主变室排风平 洞 交叉点，岩石应力集中，已形成碎裂状的小快体，若不采取 喷锚 支护措施稳定是难以保证的。 5 主厂房围岩稳定性分析 主厂房轴线 N240W； 地应力方向 N60 700 W;主应力 1=18mpa； 厂房轴线与地应力夹角 360 460； 起始点以 1 机组中心线为零点 ,上游方向为负，下游方向为正。 5.1 0-076.52 0-015.6m(主安装间 ) 5.1.1地层构造 地层顶部为 P2 6 层 下部斑状玄武岩 ,边墙为 P2 5层角砾熔岩 ;P2 4角砾集块熔岩， 6 和 5 界面约在 0-076.5 0-50 桩号出