上湾子Ⅰ级水电站引水隧洞塌方成因分析

电力18讯：    摘  要：从内蒙古赤峰市克什克腾旗上湾子Ⅰ级水电站引水隧洞地质特征及施工实践出发，通过分析地质状况、施工爆破、地下水等因素与塌方类型的关系，阐述了隧洞掘进中的塌方成因：①塌方与围岩构造断裂带有关，断裂、含水带与塌方相伴存在，每遇断裂破碎带就产生塌方；②地下水的活动降低围岩强度，加速围岩破坏进程；③爆破震动造成岩体松塌.提出塌方的防治措施：应及时支护和严格控爆，妥善处理地下水，提高岩体自稳能力，把施工方法和喷锚技术紧密结合起来，形成系统的防治体系.
    关键词：水电站；引水隧洞；塌方类型；断裂破碎带

    内蒙古赤峰市克什克腾旗上湾子Ⅰ级水电站位于内蒙古赤峰市克什克腾旗的西南部，西拉沐沦河的上游支流萨岭河的中下游.电站为引水式、地面式厂房，装机总容量为3200ｋＷ，隧洞采用有压引水，设计过流量为单机3.57ｍ３/s，双机7.14ｍ３/s，设计水头57.1ｍ，隧洞总长1098ｍ.根据地形、地质条件及施工条件确定开挖断面为圆形，隧洞断面为直径3ｍ的圆形洞.由于隧洞轴线与多条断层以小角度斜交，并且有与断层隔开的蓄水构造，因此围岩破碎多水，泥化膨胀，工程地质条件较差.加之施工中某些环节考虑欠周，故在某些断层交汇处出现较严重的塌方.处理塌方存在一定的难度，影响了工期，同时又增加了投资.该电站于1994年11月开工，1998年5月投产发电，历时4年多，概算投资增大的原因之一即为隧洞的塌方处理费用增加.

1塌方成因分析
    a. 塌方与围岩构造断裂带有关.引水隧洞顶部为风积砂及少量壤土组成的第四系沉积层，厚度变化较大，进口部位地形较缓，覆盖层不厚，洞线中部覆盖厚度最厚可达20ｍ以上.洞线上方出露岩性较为复杂，分布较多的有：流纹质角砾凝灰岩、安山岩、蚀变安山岩、玄武岩、凝灰岩等.基岩裂隙发育，风化破碎严重，进出口部位洞深60ｍ左右为强风化岩，成洞条件不好.因构造作用及岩性变化较大，不同地层风化程度存在较大差异，最大强风化厚度达35ｍ以上，但洞身大部均在弱风化岩中通过，成洞条件较好.
    沿线断裂构造较复杂，在整个洞线长1098ｍ的长度中，共有29条断层，其中在蚀变的安山岩中有1条，凝灰质粉砂岩中有12条，在流纹质斑状安山岩中有16条.主要断层有F13，F24，F28,小者断距为0.1ｍ，大的断距为0.5～1ｍ，两侧有影响带0.2～1ｍ不等.多深切成谷，陡倾角在60°～80°，走向基本与洞轴线斜交，交角较小，约15°～20°，其中F13断层走向与洞线相交仅5°左右.
    根据断层带对地下工程围岩应力分布及其稳定性影响，按弹性有限元法分析，结果如下：①断裂破碎带内应力差一般都变大，由于破碎带的存在，开挖过程中围岩应力状态产生剧烈变化，开挖后应力差迅速增大，使应力超过岩体强度产生拱体效应破坏；②有断裂的洞体，开挖后拉应力范围扩大，其值也相应地增大；③断裂带破坏了岩体的连续性，同时积聚了大量的残余应力，应力状态发生很大的变化，甚至由受压变成受拉状态.另外，岩石破坏促使岩体进一步风化，雨水积聚残积土入侵，使岩石产生软化等现象.上湾子Ⅰ级电站的施工实践表明，断裂、含水带与塌方相伴存在，每遇断裂破碎带就产生塌方.
    b. 地下水的作用.地下水活动使岩石泡水、软化，降低围岩强度.在开挖时，地下水形成指向临空面的渗透压力，加速围岩破坏的进程.在F13断层出现塌方时，在(0+390)ｍ～(0+405)ｍ段的15ｍ范围内出现大量涌水，并带出40ｍ３左右的泥石.
    c. 爆破的影响.爆破次数越多，由爆破震动波产生的剪切效应造成松塌的可能就越大.另外，塌方规模和速度对围岩收敛有影响，一般地说，破坏规模越大、速度越快，收敛就越快.
    总之，在围岩的内在原因和外部条件的相互促进下，塌方可成带出现.以岩体结构为基础的工程地质分区，可直接确定工程布局，预报工程施工中可能出现的问题.
2塌方的类型及规律性
2.1塌方的基本类型划分
    上湾子Ⅰ级水电站引水隧洞在施工过程中出现的塌方大体分为两类：
    a. 蠕变型塌方.在(0+217)ｍ～(0+225)ｍ处的F7断层，走向N290°W，倾向SW，倾角88°；(0+248)ｍ～(0+251)ｍ处的F9断层，走向N310°W，倾向SE，倾角47°；(1+003)ｍ～(1+003.7)ｍ处的F24断层，走向N20°E，倾向NW，倾角80°～85°，破碎影响带0.2～0.3ｍ，断层宽30～50ｃｍ，主要由角砾岩、压碎岩、断层泥组成.地质状况为硬塑的断层泥和糜棱化构造岩，软岩和含膨胀物质具破碎结构的中硬岩，强或全风化受地质构造影响严重的及非粘性的松散土层冲积层，砂卵石碎石坡积层等，具有裂隙密集、分布杂乱、富含泥质等特征；当有滴水或浅状流水时，急速降低岩体强度，严重影响围岩稳定.其形成原因是由于吸水膨胀崩解，结果整<