王 廣 巍

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

瀑布溝水電站地跨四川省漢源和甘洛兩縣，下距烏斯河鎮(zhèn)7 km，上距漢源縣城28 km，附近可通鐵路和公路，交通方便。電站最大壩高186 m，正常蓄水位850.0 m，死水位790.0 m，控制流域面積68 512 km2，總庫(kù)容53.37億m3；水電站共裝有6臺(tái)機(jī)組，裝機(jī)容量3 600 MW，保證出力926 MW，年發(fā)電量147.9億kW·h。發(fā)電建筑物采用地下廠房型式，地下廠房系統(tǒng)主要由地下廠房、主變室、尾水閘門室三大洞室組成，尾水閘門室與尾水隧洞相連。

地下廠房由外向里依次布置副廠房、主廠房和安裝間，軸線方向N42°E，斷面呈圓拱直墻型；副廠房尺寸為25.5 m×26.8 m×40.1 m(長(zhǎng)×寬×高)，主廠房尺寸為208.6 m×26.80 m(吊車梁以下)×70.1 m(長(zhǎng)×寬×高)，安裝間尺寸60 m×26.80 m(吊車梁以下)×29.1 m(長(zhǎng)×寬×高)。主變室位于地下廠房下游，斷面呈圓拱直墻型，尺寸為249.1 m×18.30 m×25.975 m(長(zhǎng)×寬×高)。尾水閘門室位于主變室下游，斷面呈圓拱直墻型，尺寸為212.085 m×16.4 m×56.35 m(長(zhǎng)×寬×高)。瀑布溝水電站地下廠房系統(tǒng)縱向布置示意見圖1。

瀑布溝水電站第一臺(tái)機(jī)組于2009年12月發(fā)電，2010年12月6臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)。截至目前，水電站已經(jīng)正常發(fā)電近10年，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖1 瀑布溝水電站地下廠房系統(tǒng)縱向布置示意

2 工程地質(zhì)條件

地下廠房系統(tǒng)洞室群布置在大渡河左岸山體中，地形完整，水平埋深240～540 m，垂直埋深200～360 m，距大渡河邊約400 m，洞室軸線方向N42°E；圍巖為澄江期中粗?；◢弾r，僅有少量輝綠巖脈分布，微風(fēng)化～新鮮，主要呈次塊狀～塊狀結(jié)構(gòu)，完整性好，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主；巖性堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般在100 MPa以上，巖體弱卸荷水平深度38 m，弱風(fēng)化水平深度221 m。

廠房系統(tǒng)內(nèi)無(wú)大的斷層分布，構(gòu)造表現(xiàn)為小斷層、擠壓破碎帶、節(jié)理裂隙。小斷層、擠壓破碎帶絕大多數(shù)產(chǎn)狀為N40°～60°W/SW∠20°～40°，寬度多小于50 cm；斷層帶多由碎裂巖、碎塊巖及少量糜棱巖組成，結(jié)構(gòu)擠壓緊密。圍巖中優(yōu)勢(shì)節(jié)理有4組，分布有明顯的區(qū)段性，一般為兩組或兩組節(jié)理加隨機(jī)節(jié)理的組合，結(jié)構(gòu)面大多平直粗糙，常見蝕變膜。

地下廠房系統(tǒng)地下水類型為基巖裂隙水，接受大氣降水補(bǔ)給，向大渡河排泄；開挖揭示地下水不豐富，僅局部段滲滴水或濕潤(rùn)，滲滴水多沿軟弱結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)，隨著開挖的進(jìn)行，出水量逐漸減小、消失，對(duì)圍巖穩(wěn)定無(wú)大的影響。如交通洞和1號(hào)施工支洞剛揭穿斷層帶及其影響帶時(shí)有小股涌水，之后漸小。據(jù)水質(zhì)分析，基巖裂隙水屬弱堿性低礦化度淡水，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。

前期針對(duì)地下廠房系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試，巖體地應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力σ1為21.1～27.3 MPa，方位穩(wěn)定，廠房軸線與最大主應(yīng)力方向夾角一般為26.7°～36.7°，自重應(yīng)力σH與垂直應(yīng)力σZ之比小于50%，平均σ1：σ2：σ3=1：0.65：0.27，表明是以構(gòu)造應(yīng)力為主的地應(yīng)力場(chǎng)，且偏應(yīng)力較大。巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rb與最大主應(yīng)力σ1比值在3.9～7.6間，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)巖爆分級(jí)及判別標(biāo)準(zhǔn)，地下廠房系統(tǒng)巖體可能發(fā)生中等～輕微巖爆。巖爆分級(jí)及判別見表1。

表1 巖爆分級(jí)及判別

注：Rb為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)，σ1為最大主應(yīng)力。

3 巖爆發(fā)育規(guī)律

巖爆是圍巖突然釋放大量彈性應(yīng)變能導(dǎo)致巖石產(chǎn)生脆性破壞的現(xiàn)象。它一般只發(fā)生在高地應(yīng)力地區(qū)，并且圍巖堅(jiān)硬完整，有積蓄較大彈性應(yīng)變能的能力。瀑布溝水電站地下廠房系統(tǒng)屬于高地應(yīng)力區(qū)，圍巖為澄江期中粗?；◢弾r，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，完整性好；巖性堅(jiān)硬，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般在100 MPa以上，地下水不豐富；圍巖具備了發(fā)生巖爆的地質(zhì)條件。

開挖揭示，地下廠房系統(tǒng)洞室群局部完整巖體中有巖爆現(xiàn)象，掘進(jìn)時(shí)發(fā)出噼啪破裂聲，根據(jù)洞室施工過程中現(xiàn)場(chǎng)記錄統(tǒng)計(jì)分析，洞室?guī)r爆主要有兩種方式。

第一種巖爆方式為爆裂彈射方式，發(fā)生巖爆時(shí)伴有清脆響聲，同時(shí)伴有灰霧及震動(dòng)現(xiàn)象。圍巖呈片、板狀由洞室拱座附近向內(nèi)側(cè)或由開挖面向臨空面發(fā)生彈射，彈射距離2～3 m不等，一般呈中間厚、邊緣薄透鏡體狀，厚度一般3～20 cm。

第二種巖爆方式為劈裂剝落方式，爆裂發(fā)生時(shí)無(wú)響聲或聲音很小，爆裂巖體經(jīng)開挖爆破震動(dòng)部分發(fā)生塌落，部分爆裂松弛后經(jīng)過一段時(shí)間塌落或僅開裂而不塌落。表部巖體多呈片狀開裂，影響深度可達(dá)0.1～1.0 m。

從洞室開挖情況統(tǒng)計(jì)，平行洞室間的巖柱(厚度較小的)、隧洞從兩頭開挖接近貫通時(shí)的部位、洞室輪廓線變化處，都是應(yīng)力集中較大的地點(diǎn)，易于發(fā)生巖爆。瀑布溝水電站地下廠房系統(tǒng)巖爆特征統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 瀑布溝水電站地下廠房系統(tǒng)巖爆特征統(tǒng)計(jì)

4 巖爆防治措施

瀑布溝水電站地下廠房系統(tǒng)屬于高地應(yīng)力區(qū)，開挖過程主要通過改變洞室圍巖應(yīng)力狀態(tài)，減緩圍巖應(yīng)力集中來(lái)實(shí)現(xiàn)巖爆防治。巖爆防治主要施工措施如下。

(1)打超前小導(dǎo)洞。全斷面掘進(jìn)開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)大，易誘發(fā)巖爆，在開挖面打超前小導(dǎo)洞，通過小導(dǎo)洞提前釋放部分應(yīng)力，減少圍巖巖爆現(xiàn)象。地下廠房系統(tǒng)圍巖均在開挖面打超前小導(dǎo)洞，提前釋放部分應(yīng)力，有效減少了圍巖巖爆頻率，降低了圍巖巖爆強(qiáng)度。

(2)控制爆破。洞室開挖中采用淺孔多循環(huán)光面控制爆破，嚴(yán)格控制最大單響藥量，提高爆破殘孔率，使洞室開挖面盡量圓順，避免局部洞壁圍巖產(chǎn)生應(yīng)力集中，減少圍巖巖爆現(xiàn)象。地下廠房系統(tǒng)圍巖爆破殘孔率要求大于90%，保證洞室開挖面盡量圓順。

(3)掌子面噴水、鉆孔注水。在新開挖的掌子面上噴水、鉆孔注水，使圍巖表部應(yīng)力緩慢釋放，從而降低巖爆的影響范圍和強(qiáng)度，減少了巖爆對(duì)作業(yè)人員、生產(chǎn)設(shè)備的威脅。地下廠房系統(tǒng)圍巖在新開挖的掌子面上多次實(shí)施噴水作業(yè)，使圍巖表部應(yīng)力緩慢釋放的同時(shí)降低了洞室內(nèi)灰塵，保證了施工安全。

(4)及時(shí)加固支護(hù)。在洞室開挖完成后，及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行加固支護(hù)是防治巖爆的主要措施，這不僅可以改善圍巖應(yīng)力大小和分布，還能使洞室周邊巖體從平面應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)榭臻g三向應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到減輕巖爆危害，防止巖石彈射、剝落事故發(fā)生。瀑布溝水電站地下廠房系統(tǒng)主要采用“徑向錨桿+噴混凝土”“徑向錨桿+噴混凝土+鋼筋網(wǎng)”“錨索+徑向錨桿+噴混凝土”等型式對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，實(shí)踐證明，上述支護(hù)處理有效減少了圍巖巖爆事故，保證了作業(yè)安全。

5 圍巖變形監(jiān)測(cè)

洞室施工期間，圍巖應(yīng)力將發(fā)生重新分布且不斷進(jìn)行調(diào)整。變形監(jiān)測(cè)的目的是掌握洞室圍巖及支護(hù)的變形動(dòng)態(tài)，確保施工的安全性、經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)和檢驗(yàn)作用。如發(fā)現(xiàn)支護(hù)變形增加，說明圍巖變形加大，應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)強(qiáng)加固處理措施。為及時(shí)監(jiān)測(cè)地下廠房系統(tǒng)圍巖應(yīng)力、應(yīng)變的變化情況，在地下廠房、主變室、尾水閘門室等部位埋設(shè)了多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)。

經(jīng)對(duì)地下廠房系統(tǒng)圍巖進(jìn)行噴錨、掛網(wǎng)、錨索等支護(hù)處理后，根據(jù)圍巖變形監(jiān)測(cè)成果，對(duì)個(gè)別監(jiān)測(cè)斷面處圍巖進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)加固處理。監(jiān)測(cè)成果分析顯示，經(jīng)支護(hù)措施處理后，地下廠房系統(tǒng)圍巖應(yīng)力、應(yīng)變已經(jīng)趨于收斂，圍巖穩(wěn)定。截至目前，地下廠房系統(tǒng)已經(jīng)安全運(yùn)行近10年，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)瀑布溝水電站地下廠房系統(tǒng)屬于高地應(yīng)力區(qū)，圍巖為澄江期中粗?；◢弾r，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，完整性好；巖性堅(jiān)硬，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般在100 MPa以上，地下水不豐富；圍巖具備了發(fā)生巖爆的地質(zhì)條件。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)巖爆分級(jí)及判別標(biāo)準(zhǔn)，廠房系統(tǒng)巖體可能發(fā)生中等～輕微巖爆。

(2)瀑布溝水電站地下廠房系統(tǒng)包括地下廠房、主變室、尾水閘門室等洞室，施工中有巖爆現(xiàn)象發(fā)生，多發(fā)生在拱座部位，圍巖呈片、板狀爆裂彈射及劈裂剝落，彈射巖片厚度一般為3～18 cm，并伴隨清脆響聲及灰霧。

(3)在地下廠房系統(tǒng)施工中，對(duì)圍巖采取打超前小導(dǎo)洞、控制爆破、掌子面噴水及鉆孔注水、及時(shí)加固支護(hù)等工程措施，有效地降低了圍巖巖爆發(fā)生的強(qiáng)度和頻率，提高了施工進(jìn)度、保證了作業(yè)人員、設(shè)備安全。