四川锦屏二级电站高水头超深埋隧洞围岩质量分级快速评价方法

第２９卷　第２期２０１５年４月现　代　地　质ＧＥＯＳＣＩＥＮＣＥＶｏｌ２９　Ｎｏ２Ａｐｒ２０１５四川锦屏二级电站高水头超深埋隧洞围岩质量分级快速评价方法吉　锋１，郑罗斌１，周春宏２（１地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），四川成都　６１００５９；２中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州　３１００１４）　　收稿日期：２０１４１００８；改回日期：２０１５０１１２；责任编辑：楼亚儿。　　基金项目：国家自然科学基金项目（５１３０８０８２）；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室基金项目（ＳＫＬＧＰ２０１１Ｚ０１２）。　　作者简介：吉　锋，男，博士，１９８０年出生，工程地质专业，主要从事地质灾害防治和岩石力学方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｊｅｉｆｅｎｓ＠１６３ｃｏｍ。摘要：四川锦屏二级水电站地处雅砻江中游，流域地形深切狭窄，采用低闸拦截、长引水方案发电，引水隧洞长近１７ｋｍ，最大埋深达２５２５ｍ，地应力高达７０ＭＰａ，水压力高达１０２ＭＰａ，其围岩分级方法超越了目前规范标准的应用范畴，现场涌突水、岩爆等地质问题突出。在介绍引水线路地质条件基础上，提取了岩石强度、岩体结构、完整性、高地应力、高外水压力等关键因素，进行影响规律分析，并利用近３年时间连续跟踪、收集的大量地质资料，进行统计分析，归纳各因子的影响权重，建立了适用于锦屏二级水电站高地应力高外水压力条件下的围岩质量快速评价方法，通过现场应用，快速判定的结果与现场类别吻合率均达到８８％以上，可为进一步的隧洞地质灾害加固处理提供可靠依据。关键词：深埋隧洞；高水头；高地应力；岩体质量分级；快速评价方法；四川锦屏中图分类号：Ｐ６４２；ＴＵ４５　　　　　文献标志码：Ａ　　　　　文章编号：１０００－８５２７（２０１５）０２－０４２８－０６ＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＲｏｃｋＭａｓｓＱｕａｌｉｔｙＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎＴｕｎｎｅｌｕｎｄｅｒＨｉｇｈＷａｔｅｒＰｒｅｓｓｕｒｅａｔＧｒｅａｔＤｅｐｔｈｉｎＪｉｎｐｉｎｇⅡＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎ，ＳｉｃｈｕａｎＪＩＦｅｎｇ１，ＺＨＥＮＧＬｕｏｂｉｎｇ１，ＺＨＯＵＣｈｕｎｈｏｎｇ２（１ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧｅｏｈａｚａｒｄＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄＧｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ（ＣｈｅｎｇｄｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ　６１００５９；２ＨｕａｄｏｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＰｏｗｅｒＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　３１００１４）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＪｉｎｐｉｎｇⅡｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎ，ｌｏｃａｔｅｄｉｎＹａｌｏｎｇｒｉｖｅｒ，ｗｉｌｌｇｅｎｅｒａｔｅｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｂｙｅｍｐｌｏｙｉｎｇｌｏｗｇａｔｅｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎａｎｄｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｄｉｖｅｒｓｉｏｎ，ｗｉｔｈｔｕｎｎｅｌｌｅｎｇｔｈｏｆ１７ｋｍ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｅｐｔｈｏｆ２，５２５ｍ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｇｅｏｓｔｒｅｓｓｏｆ７０ＭＰａａｎｄｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆ１０２ＭＰａ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｂｅｙｏｎｄｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｔａｎｄａｒｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｔｈｅｒｏｃｋｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｒｅｅｘｔｒａｃｔｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒｏｃｋｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｒｏｃｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ，ｇｅｏｓｔｒｅｓｓ，ａｎｄｈｉｇｈｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｔｈｅｎ，ｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｆｉｅｌｄｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｄａｔａ，ａｒａｐｉｄａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｏｒＪｉｎｐｉｎｇⅡｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅｈｉｇｈｇｅｏｓｔｒｅｓｓａｎｄｈｉｇｈｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｆｉｅｌｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｉｔｓｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ８８％，ｗｈｉｃｈｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｌｉａｂｌｅｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｏｆｔｕｎｎｅｌｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｄｉｓａｓｔｅｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｄｅｐｔｈｔｕｎｎｅｌ；ｈｉｇｈｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｈｉｇｈｇｅｏｓｔｒｅｓｓ；ｒｏｃｋｍａｓｓｑｕａｌｉｔｙｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｆａｓｔｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ；Ｊｉｎｐｉｎｇ，Ｓｉｃｈｕａｎ书书书０　引　言四川锦屏二级水电站引水隧道最大埋深２５２５ｍ，具高达７０ＭＰａ的高地应力、１０２ＭＰａ高外水压力的复杂地质条件，隧道东端岩性为三叠系中统盐塘组灰绿色条带状云母大理岩，中部为白山组灰白色致密厚层块状大理岩，西端为岩性软弱的绿泥石片岩，岩性较为复杂，前期探洞中揭露大量的裂隙型结构面和断层型结构面及挤压、张性破碎带，伴有溶蚀现象。另外，在探洞施工过程中，曾发生多次较大涌水，工程区高地应力、高外水压力问题突出。围岩分级是目前常用的围岩稳定性判定方法之一［１－３］，它有着其他方法不可比拟的优越性。常用的围岩分级方法包括巴顿的Ｑ系统、Ｂｉｅｎｉａｗｓｋｉ的ＲＭＲ系统、国标ＢＱ方法和水电围岩分类ＨＣ（ＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＣｌａｓｓｉｆｙｉｎｇ）法［４－５］，这些方法多由前辈工作者在钻爆隧洞工程中大量统计、归纳而成。通过查明隧洞岩石强度、岩体结构、岩体完整性、结构面数量、结构面产状、地下水状态、变形破坏特征、地应力等因素，采用积商或求和方法确定围岩级别［６－８］，通过工程界长期应用，这些方法在常规地质条件下应用性较好，吻合率较高，被列为国家标准或行业标准强制执行［９］。然而，锦屏超深埋高水头隧洞中，常规的围岩分类方法对高水头、超深埋隧洞的围岩［１０－１２］进行分类不尽合理，据前期判别表明：分类结果与现场围岩实际类别差异较大，吻合率不足６０％。１　工程地质条件整个隧洞沿线地形起伏，高程均在３０００ｍ以图１　隧洞工程地质剖面图Ｆｉｇ１　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｆｉｌｅｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌ上，最高山峰达４１１３ｍ，由白山组大理岩组成地形主分水岭。进水口侧岸坡坡度为４０°～６０!，局部陡峻，达７５°以上；出水口侧岸坡坡度３５°～４５°，局部达６０°以上。西雅砻江至锦屏山断层间共发育两个背斜和两个向斜构造，靠近西雅砻江的背斜为陆房沟背斜的北延部分，向斜为解放沟复型向斜的北延，其间发育小规模层间褶皱。轴面直立，向西倒转，两翼陡倾；东部盐塘组地层内共发育６个小规模褶皱及一系列的紧密褶曲。由于锦屏隧洞东端发育一系列褶皱构造，三叠系中统盐塘组Ｔ２ｙ４、Ｔ２ｙ５、Ｔ２ｙ６交替重复出现，中部为白山组Ｔ２ｂ大理岩和结晶灰岩，西端出露的地层有三叠系下统Ｔ１、杂谷脑组Ｔ２ｚ和三叠系上统Ｔ３。Ｔ２ｚ以岩粒变化多、岩性杂为特征，由白—灰白色纯大理岩偶夹绿片岩透镜体、薄层砂岩、云母片岩等组成。Ｔ３主要分布在主分水岭一带，岩性为砂岩和板岩。工程地质剖面见图１。地面裂隙调查及长探洞、辅助洞内的裂隙统计结果表明，区内主要发育有以下几组裂隙：（１）Ｎ５°～３０°Ｗ，ＳＷ或ＮＥ∠３０°～７５°，节理密集，面光滑，常与构造线平行；（２）Ｎ６０°～８０°Ｗ，ＳＷ∠１０°～２５°或∠７０°～８５°，陡缓两组，缓倾角组大都张开，面呈波状，延伸长，为引水隧洞的主要导水结构面；（３）Ｎ０°～３０°Ｅ，ＳＥ或ＮＷ∠７０°～９０°，顺层裂隙，大都闭合，局部张开，为引水隧洞的导水结构面；（４）Ｎ３０°～６０°Ｅ，ＳＥ∠１０°～３５°，缓倾角，多张开，面起伏弯曲，延伸较长；（５）Ｎ４０°～５０°Ｅ，ＳＥ或ＮＷ∠４５°～８０°；（６）Ｎ６５°～８０°Ｅ，ＮＷ或ＳＥ∠５５°～８０°，为引水隧洞的主要导水结构面。隧洞区穿越了三叠系中、上统的大理岩、灰岩、结晶灰岩及砂岩、板岩。根据试９２４　第２期吉　锋等：四川锦屏二级电站高水头超深埋隧洞围岩质量分级快速评价方法验成果，结合岩体工程地质性状与经验类比，提出了工程区岩石力学参数（表１）。表１　隧洞区岩石物理力学参数Ｔａｂｌｅ１　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｏｃｋｔｕｎｎｅｌ岩性　　抗压强度／ＭＰａ干湿中厚层中细粒砂岩（Ｔ３）１０４～１５２７１～１１４杂谷脑组大理岩（Ｔ２ｚ）７０～９０５５～７８中厚层大理岩（Ｔ２ｂ）９０～１００７５～８５条带状云母大理岩（Ｔ２ｙ４）８５～９０５５～６２中厚层大理岩（Ｔ２ｙ５）７０～９５６５～８５泥质灰岩（Ｔ２ｙ６）７０～７５６０～７０互层状砂岩、板岩（Ｔ３）７０～９５４２～５３在隧洞线高程１６００ｍ处最大主应力值为７０１ＭＰａ，最小主应力值为３０１ＭＰａ；全断面一次开挖后，水平应力分量σｙ在拱顶、底部较大，为５４ＭＰａ；垂直应力分量σｚ在两侧拱腰部位较大，为１２０ＭＰａ。２　岩体质量分级因素２１　岩质强度在高地应力、高外水压力的地质环境下，岩质类型是影响围岩分类、变形破坏、围岩自稳定的关键因素，其权重甚高，在《水力发电工程地质勘察规范》（ＧＢ５０２８７—２００６）中建议的ＨＣ法中规定，硬质岩岩石强度项所占权重为３０％，ＲＭＲ法中规定岩石强度项所占权重为１５％，Ｑ系统未直接考虑岩石强度项，采用Ｊｒ／Ｊａ反映嵌合岩块的抗剪强度，在围岩分类评分中其所占比例为４０％。锦屏二级水电站引水隧洞沿线所穿越的地层，主要由三叠系大理岩、灰岩、结晶灰岩及砂岩等硬质岩组成。现场调查表明，围岩变形破坏在岩性上表现的规律如下：在白山组Ｔ２ｂ地层中破坏段所占比例高于盐塘组Ｔ２ｙ地层中破坏段所占的比例，尤其是岩爆、结构面应力型破坏这两种破坏形式所占比例甚高，这主要是由于白山组Ｔ２ｂ岩性段岩体结构呈巨厚层状，岩石强度高，岩体完整性好，且处于深埋段，受高地应力影响最明显，易发生岩爆和应力型破坏［１３－１４］；在整个引水线路上，按破坏所占比例（百分比）的大小各地层依次为Ｔ２ｂ＞Ｔ２ｙ＞Ｔ３＞Ｔ１＞Ｔ２ｚ，其中最高的白山组Ｔ２ｂ为４４７３％，最低的杂谷脑组Ｔ２ｚ为２６４２％，其原因在于Ｔ２ｚ岩性段中相当部分的岩性为绿泥石片岩或大理岩夹绿泥石片岩，其岩石强度低，再加上结构面发育，岩体完整性极差［１５］。由Ｔ２ｂ、Ｔ２ｙ两种不同岩层中围岩破坏比例差别不大，均属于一个数量级，其与宏观调查规律一致［１６］。２２　岩体结构锦屏隧洞出露的岩体结构大部分为厚层、块状结构，裂隙间距大于０４ｍ，此外还存在整体、镶嵌、薄层和碎裂结构岩体，并且由于地下水发育，致使岩体软化、泥化现象明显。根据现场调查，岩体结构对围岩变形破坏、岩体质量分级影响甚大，锦屏二级水电站引水隧洞施工过程中存在岩爆、应力型破坏、结构面应力型破坏、一般性破坏和撑靴破坏等变形破坏类型。其中，一般结构面破坏主要发育在碎裂结构、镶嵌结构等结构面发育的岩体中；岩爆、应力型破坏等高地应力破坏形式发育在整体、块状结构等结构面不发育的岩体中（图２，图３）；撑靴破坏是ＴＢＭ引水隧洞特有的破坏形式，破坏位置主要是撑靴覆盖图２　３＃隧洞Ｋ１２＋８８０段结构面应力型破坏Ｆｉｇ２　ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｒｅｓｓｄａｍａｇｅｉｎＫ１２＋８８０ｓｔａｋｅｏｆ３＃ｔｕｎｎｅｌ图３　３＃隧洞Ｋ９＋２４５～２３２段边墙岩爆Ｆｉｇ３　ＲｏｃｋｂｕｒｓｔｉｎＫ９＋２４５～２３２ｓｔａｋｅｏｆ３＃ｔｕｎｎｅｌ０３４现　代　地　质２０１５年　边墙，主要表现为撑靴之后围岩的卸载松弛变形。２３　岩体完整性岩体完整性主要