金河二级水电站引水隧洞围岩稳定性评价及支护处理

云南水电技术　金河二级水电站引水隧洞围岩稳定性评价及支护处理　李建锋　（中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南昆明６５００５１）　摘要：　金河二级水电站引水隧洞全长１９８６ｍ，底板坡度０．００１，为方圆形无压隧洞。衬砌后隧洞宽２．５ｍ，　高２．７ｍ。　文章简要介绍了该引水隧洞的工程地质条件以及施工情况，可作为同等规模的小型水电站建设的　参考。　关键词：　引水隧洞；工程地质；施工；水电站　Ａｐｐｒａｉｓａｌ　ａｎｄ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｎ　ａｄｊｏｉｎｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｔｕｎｎｅｌ　ｆｏｒ　Ｊｉｎｈｅ一２　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ｌｉ　Ｊｉａｎｆｅｎｇ　（Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ，Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＨＥＣＣ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５００５　１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｔｕｎｎｅｌ　ｏｆＪｉｎｈｅ－２　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｅｎ　ｉｓ　１９８６ｍ　ｌｏｎｇ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌｏｏｒ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　ｉｓ　０．００１．Ｉｔ　ｉｓ　ａ　ｒｏｕｎｄ－　ｓｑｕａｒｅｆｒｅｅ－ｌｆｏｗｔｕｎｎｅ１．Ａｆｔｅｒｔｕｎｎｅｌｌｉｎｉｎｇ，ｉｔｉｓ２．５ｍｉｎｗｉｄｔｈａｎｄ２．７ｍｉｎｈｅｉｇｈｔ．Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅｂｒｉｅｆｌｙｐｒｅｓｅｎｔｓｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄ　ｉｔ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｔｈｅｒ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｓｍａｌｌ　ｈｙｄｒｏｐｏｗ￣ｓｔａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ　ｔｕｎｎｅｌ；Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｇｅｏｌｏｇｙ；Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　１工程概况　的玄武岩、杏仁状玄武岩、熔结火山角砾岩、含火山　金河二级水电站位于云南省红河州金平瑶族、苗　角砾的沉积粗凝灰岩、凝灰岩等构成。　族，傣族自治县的金平河中游河段上，距昆明４５５ｋｍ。　地层由老至新分为以下两层：　电站为引水式开发水电站，装机容量ｌ　Ｘ　２万ｋＷ。引　（１）第一层（Ｐ　。　）：由玄武岩、杏仁状玄武岩　水发电系统布置在右岸。电站于２００４年ｌ２月全部建　夹少量熔结火山角砾岩构成。　成投产发电，主体工程竣工。　该层分布在洞０＋０００～洞１＋９００段。　引水隧洞全长１９８６ｍ，进口底板高程ｌ１４３．８９０　ｍ，　（２）第二层（Ｐ　８　）：熔结火山角砾岩夹玄武岩、　出口底板高程ｌ１４１．９０４　ｍ，底板坡度０．００１，为方圆　杏仁状玄武岩。　形无压隧洞。衬砌后隧洞宽２．５ｍ，高２．７ｍ。　该层分布在洞１＋９００～洞１＋９８６段。　岩性特征如下：　２工程地质条件　（１）玄武岩，呈灰、灰绿色。主要矿物成分为斜长　２．・１地形地貌　石、辉石、绿泥石、磁铁矿等。岩石具斑状结构，块　引水隧洞所在的枢纽区河段长约２．５ｋｍ，集中落　状构造。基质具间粒结构、拉斑玄武结构。常见网络　差３１０余米，中山峡谷地貌明显。引水隧洞所在的右　状石英、方解石细脉分布及褐红色斑点状铁锰质渲染。　岸坡度一般３０。～３５。，有残留阶地零星分布，冲沟　岩质坚硬，强度较高，属硬岩类。　较发育。隧洞埋深一般２０～６０ｍ，最大１００ｍ。　（２）杏仁状玄武　呈灰、深灰、灰绿色。主要矿　２．２地层岩性　收稿日期：２００６－１２—１２　作者简介：李建锋（１９８２一），男，河南信阳人，助理工程师，　隧洞围岩主要由二迭系上、下统玄武岩组（Ｐ。一：　）　主要从事工程地质勘察设计．　■■　维普资讯 http://www.cqvip.com ２ｏｏ７￣总第１６１期　金河二级水电站引水隧洞围岩稳定性评价及支塑　引水隧洞开挖揭露微风化岩体约１　１７２ｍ，弱风　化岩体约４１　８ｍ，强风化岩体约３００ｍ，全风化岩体约　９６ｍ。　物成分为斜长石、辉石、磁铁矿及绿泥石等。具玻璃质、　斑状结构，基质为间隐（间粒）结构，杏仁状构造。杏　仁体呈次园状及不规则状，直径一般０．２～Ｉｃｍ，成　分为方解石、绿泥石、玉髓等，颜色分别呈白色、灰　绿色等。岩质坚硬，强度较高，属硬岩类。　（３）熔结火山角砾岩呈灰、灰绿、紫灰色。角砾　成分为灰绿色和紫红色的玄武岩及凝灰岩，呈棱角状　或次棱角状，直径一般１～５ｃｍ，最大１０ｃｍ。岩石主　要由火山角砾和火山灰组成，部分角砾已成玻璃质，开　２．４．２崩塌　隧洞沿线有两个较大崩塌堆积体（Ｂ　Ｂ　）。见表１。　其中Ｂ　在引水隧洞的实际开挖过程中有较大影　响，直接造成改线和多次塌方。２００３年６月１６　Ｅｌ，原　设计路线桩号洞１＋４０４处施工过程中发生冒顶，松散　始重结晶。另有少量长石石英晶屑和斑晶。熔结角砾　结构，角砾状构造。岩质坚硬，强度较高，属硬岩类。　２．３地质构造　地层为单斜构造，流面产状Ｎ２０。～４０。Ｗ，ＮＥ　２０。～６０。，流面局部有褶曲现象。　２．３．１断层和挤压面　引水隧洞开挖揭露的Ⅲ级结构面断层（Ｆ）有　五条，均与洞向斜交。Ⅳ级结构面，小断层（ｆ）有　２１条，挤压面（ｇｍ）有２２条，按走向划分主要为　Ｎ５０。～７５。Ｅ、Ｎ６５。～８５。Ｗ两组，另有少量结　构面走向近ＳＮ。断层、挤压面组成物质一般为碎块　岩、片状岩和糜棱岩，少数有断层泥，另有少数有石　英方解石细脉充填。断层、挤压面一般以中、陡倾角　为主。力学性质主要为压扭性或压性。　２．３．２节理　引水隧洞强风化及以下各部位岩体一般发育　２～３组节理，全风化岩体中节理少见。节理按走向划　分，主要发育ＮＮＷ、ＮＷＷ、ＮＥＥ及ＮＮＥ四组。除　流层节理外，一般延伸长度１～３ｍ，少数节理延伸长　度大干５ｍ。节理在强风化岩体中，多张开２～１０ｒａｍ，　充填泥质；弱风化岩体中节理张开度０．５～２ｒａｍ，充　填物以钙质和泥膜为主，节理面多平直；微风化岩体　中节理多闭合，节理面见铁锰质和高岭土薄膜。部分　洞段存在走向与洞向夹角较小或接*行的节理组，　对洞室稳定有一定影响。　２．４物理地质现象　引水隧洞沿线物理地质现象主要表现为岩体风　化和崩塌。　２．４．１岩体风化　岩体风化明显受构造和岩性的制约，在断层带和　节理密集带以及岩性变化带，风化作用明显加剧，以　致有隔层风化、囊状风化等不均一风化现象。　塌落体体积约为２３０ｍ　。故对原设计方案进行修改：　从隧洞０＋５６０桩号改变洞线，向北偏转３。，绕过松　散堆积体后以７０ｍ转弯半径与原洞线连接。将已开挖　的隧洞段改为施工支洞。原本预计此方案完全绕过松　散堆积体，但改线后仍发生多次小塌方。　２．５水文地质条件（地下水类型和岩石透水性）　引水隧洞地下水类型主要为基岩裂隙水．赋存　于（Ｐ　一２　）和（Ｐ　一２　）玄武岩组岩体的节理裂隙　及断层破碎带中，由地表水和大气降水补给，主要受　断层构造和节理裂隙网络的控制。　隧洞地下水位一般高于洞顶１０～２０ｍ，最高达　６０ｍ。局部有脉状基岩裂隙水赋存，隧洞施工时洞内　出现渗水、滴水、线状流水和涌水。其中，桩号洞　１＋４９０一洞１＋５３５段在施工过程中线状流水或涌水严　重，且围岩较破碎，给一次支护（立钢格栅拱架、挂　网喷混凝土）造成一定的困难。施工单位采用多加速　凝剂等方法，将流水赶往几处集中起来，从预打的排　水孔流出。　２．６岩石、岩体的物理力学性质　根据１０组岩石室内物理力学性试验，熔结火山　角砾岩及玄武岩弱一微风化岩石的湿抗压强度分别为　８０ＭＰａ～１７５ＭＰａ及９０ＭＰａ～１３９ＭＰａ，均属坚硬岩　类。　岩石的湿静态弹性模量，弱风化熔结火山角砾　岩为９．４７×１０　ＭＰａ，微风化玄武岩为３．０８×１０　ＭＰａ～５．３４×１０４　ＭＰａ，岩石的比重、千密度、相差　不大，泊松比差异较大。　２．７岩体质量类别　在实际开挖中揭露出Ⅱ类围岩７０８ｍ，Ⅲ类围岩　５９５ｍ，ＩＶ类围岩３９５ｍ，Ｖ类围岩２８８ｍ。　３围岩稳定性评价　Ⅱ类围岩基本稳定，不会产生塑性变形。为微风化，　维普资讯 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块状一次块状结构，洞壁干燥或少量渗水滴水。无Ⅲ　化和增强的稳定，确保洞室施工期和运行期的安全、稳　级结构面，Ⅳ级结构面（小断层和挤压面）也较少，　定所采取的措施。　主要为Ｖ级结构面（节理）。发育２～３组节理，少量　次支护处理措施主要有：（１）安全合理的爆破；　一与洞轴线走向夹角较小的节理，对围岩稳定不利，局　（２）挂网喷混凝土；（３）系统锚杆；（４）随机锚杆；（５）钢筋　部产生掉块，一般不进行一次支护。　格构架；（６）超前小导管；（７）排水。二次支护处理措施　Ⅲ类围岩局部稳定性差，局部会产生塑性变形。弱　为：（１）素混凝土、钢筋混凝土衬砌；（２）回填灌浆等。　风化或微风化。次块状结构为主，局部块状结构或镶　嵌碎裂结构。有４条Ⅲ级结构面，Ⅳ级结构面（小断　层和挤压面）也较少，主要为Ｖ级结构面（节理）。一　４．１安全合理的爆破　在开挖过程中，作为切割手段的爆破，对围岩稳　般发育３组节理，有些与洞轴线走向夹角较小的节理，　定的影响是显而易见的。不恰当的爆破，将使围岩受　　对围岩稳定不利。局部产生掉块。一般采用喷锚进行　到极大的扰动、破坏，使岩体松弛，节理扩张、裂开，岩体和结构面强度降低，并使松动圈范围明显扩大。因　Ⅳ类围岩不稳定，围岩自稳时间很短，发生变形、　此，安全合理的爆破是对围岩的一种有效的保护性支　　掉块、局部塌方。弱风化或强风化，极少量微风化。次　护处理措施。一次支护。　在引水隧洞的开挖中，为充分发挥围岩的自承能　块状～镶嵌碎裂结构为主，局部块状或碎裂结构。有ｌ　条Ⅲ级结构面，Ⅳ级结构面（小断层和挤压面）也较　力，必须尽可能减轻对围岩的振动，故在钻爆作业中采　少，主要为Ｖ级结构面（节理）。一般发育３组节理，　用微振控制爆破技术，实施光面爆破，并根据围岩情　有些与洞轴线走向夹角较小的节理，对围岩稳定不利。　况及时修正爆破参数，达到最佳爆破效果，并形成整　节理间距较小，局部出现节理密集带，将岩体切割较　齐准确的开挖断面，减少超欠挖。全洞一般采用全断　碎，易松动脱落。采用钢筋格构架进行一次支护，有　面一次光面爆破开挖。只在桩号洞０＋２２０～洞０＋２９０　为加快进度，采用台阶法光面爆破开挖，即先开挖起　时加打超前小导管，进行管棚支护。　Ｖ类围岩极不稳定，围岩不能自稳，变形破坏严　拱线以下部分，前进一定距离后，再开挖前一段的顶　重。为强风化和全风化。强风化岩体为镶嵌碎裂一碎　拱部分，并与下一段的下半部同时开挖。这样可以增　裂结构，甚至碎块状结构；全风化岩体为碎屑状结构。　加作业面，达到加快进度的目的。光面爆破施工工艺　　强风化岩体中结构面主要为节理，较密集，充填泥膜，　流程如图ｌ所示。在钻爆作业中，根据地质条件及时修正爆破参数，　有些夹泥可达ｌ０～２０ｍｍ，造成岩块易松动脱落；全　风化岩体节理少见，但松散易塌。采用钢筋格构架、超　以期达到最佳爆破效果。例如，在实际开挖中，揭露Ⅱ　类和ｖ类围岩，周边眼间距可调整范围为３０～５０ｃｍ。　前小导管注浆进行一次支护。　４支护处理措施及地质缺陷处理　另外，Ⅱ类围岩炮眼深度一般为２．５～３ｍ；ＩＩＩ类围岩　炮眼深度一般为２～２．５ｍ；ＩＶ、Ｖ类围岩炮眼深度一　洞室围岩的支护处理是指为防止围岩稳定条件恶　般为１．５～２ｍ。　一　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７－Ｅ￣Ｊ总第１６１期　金河二级水电站引　隧洞围量　室　星皇塑　堡　施工单位原设计的光面爆破参数如表２所示。　４．３钢筋格构架　超前小导管　４．２喷锚、挂网　Ⅳ、Ｖ类围岩均采用钢筋格构架支护。要求钢筋　系统锚杆：顶拱１３３。范围，设置系统砂浆锚　格构架根据实际开挖断面形状加工，由三根主筋通过　杆。Ⅳ类围岩的锚杆参数为：锚杆　２２＠２．０×２．Ｏｍ，　连接筋连接而成，断面呈三角形，支护时紧贴岩面。　Ｌ＝２ｍ，梅花型布置。Ｖ类围岩的锚杆参数为：锚杆　有些洞段与小导管预注浆超前支护并用。小导　２２＠１．５×１．５ｍ，Ｌ＝２ｍ，梅花型布置。　管采用外径　４２、壁厚３．５ｒａｍ的热轧无缝钢管，长　挂网：Ｖ类围岩顶拱１３３。范围，挂钢筋网。挂　３．５ｍ，前端加工成尖锥状，尾部焊　６加劲箍。管壁　网参数为：　６．５＠２００ｍｍ。　四周按１５ｃｍ间距梅花形钻设　１０注浆孔，尾端ｌｍ范　喷混凝土ＩＶ、Ｖ类围岩顶拱及边墙均喷混凝土，　围不设孔，作为止浆段。小导管安设采用手风钻钻孔打　厚１０ｃｍ。　入法。安设后，用塑胶泥封堵孔口及周围裂隙。采用　Ⅲ类围岩视地质情况，采取随机挂网喷锚。　注浆泵注入（水灰比为１：１）水泥浆液。（下转１２页）　图１　光面爆破施工工艺流程图　表２　光面爆破设计参数表　围岩类别　艮　距Ｅ　最小　线ｗ相对距离Ｅ／ｗ　药卷直径装药集中度（ｋｇ／ｍ）　装药结构　ＣＩＩＩ　Ｊ　ＬＣ１１１　Ｊ　Ⅳ　４５　６０　０．７５　①２０　０．１５～０．２０　导爆索药串装药结构　ＩＩＩ　５０　６０　０．８３　①２０　０．２０～０．２５　导爆索药串装药结构　维普资讯 http://www.cqvip.com 云南水电技术　论一致Ｉ灌后基岩Ｗ基本上小于０．Ｏ０５Ｌ／ｓ・ｍ・ｍ，　２００７￣４期总第１６１期　３．３虽然安砂坝址的地质条件似乎隐藏着巨　水泥灌浆不可能达到改变夹层成分的要求，但它对提　大不安全因素。也有有利安全因素，究竟谁　高岩层的相对抗渗性有一定作用。　占上风，分析如下：　（１０）据不完全统计，右岸２～４号坝段在高程　２００～２３１ｍ之间糜棱岩化千枚岩夹层和夹泥岩共有　６７层，平均每米高程含有２．３ｌ层，且倾角很小，上游　均与水库相通。左岸９、１０号坝段在高程２０２～２２４ｍ　间也有５０余层，平均每米高程有２．２７层，产状与右　（１）岩性中软弱的是千枚岩和糜棱岩化千枚岩。　根据福州大学矿冶系地质专业委员会选编的《变质岩　岩石学》，千枚状构造是指．岩石中矿物已初步具有定　向排列，但重结晶不强烈，矿物颗粒肉眼还不能分辨，　仅在片理面上见有强烈的丝绢光泽，系绢云母小鳞片　岸相似。其他坝段也有类似情况。夹层厚度变化很大，　平行排列所致，有时还见有许多小皱纹。而糜棱结构　小的１～２ｃｍ，大的４０～８０ｃｍ，大部分呈全风化状，　是指岩石全部破碎成微粒至粉末，有时还有似流纹的　有的呈高岭土化和叶腊石化，性质滑腻，遇水即崩解　定向排列。可见千枚岩的软弱在于绡云母的多少，而　和泥化。　糜棱岩更软弱，但安砂坝址似乎是幸运的，糜棱岩化　３．２有利大坝安全的因素　和绢云母含量均较小。　（１）坝顶虽有裂缝，仅此一条，且呈张性，估计　（２）石墨层与煤岩。根据古生物进化史，泥盆纪　是浅表裂缝而非贯穿性裂缝。　没有成煤的蕨类植物。笔者猜测煤岩是后期地质运动　中，碳质沿１７　下渗而形成。由它的分布局限性可佐证　（２）渗水量虽有增加，但是线流，喷流的仅５处，　这一点。　稍小的渗漏点共８处，湿润的、有钙华的虽有２０来　（３）岩层的强烈褶皱，使硬岩形成坚强的构架，　处，渗水量均不大。　而软弱夹层被局限于构架的空隙中，虽夹层层数多，　（３）廓道内渗水均为无色透明，２～３日后才变　但不连通，不会构成不安全因素。　成黄褐色，才生成絮状析出物。渗水无砂感，无泥质，　（４）化学管涌的溶质是离子、分子或胶体络合物，　叶腊石化不很严重。显属化学管涌，而非机械管涌。　（４）从两岸裸露基岩，河边基岩剖面均发现基岩　其直径在纳米级，而机械管涌的溶质是粘粒，直径在　毫米级，相差６个数量级。大坝现为化学管涌，表明　主体是石英砂岩和石英砾岩，抗压强度很高，岩层强　混凝土中的微裂缝扩展很有限。　烈褶皱，将千枚岩和糜棱岩化千枚岩挤成囊状，透镜　综上所述，地质判断大坝是安全的，稳定的。　体，造成了千枚岩软弱夹层的不连续。　（５）石墨化层与煤岩分布局限，且引起重视认真　４结语　处理。　安砂大坝安全检查仅补钻６个孔，投入勘探、试验　（６）坝基扬压力未见明显增大。　工作量不大，而取得的经济效益、社会效益是巨大的。　（７）水平位移和垂直位移观测数据没有明显的大　安砂大坝安全检查的结论是正确的，１　９９２年３月　尺寸的移位，且呈漫散性位移。　召开报告会，至今又运行ｌ５年了，事实证明当时的分　（８）水质分析与建坝前基本一致，说明建坝后的　析判断是经得起考验的。　溶蚀作用较弱。　安砂大坝安全检查工作的巨大成功，与大坝监测　（９）坝址区的ｌ４条断层均向下较快尖灭，除破碎　中心王理华主任的民主作风有很大关系，王总总是鼓　带外，其余风化不深。　励大家各抒己见，年轻人要多发言，在乎和欢洽的气　（１０）千枚岩中绢云母含量不很多，对坝基稳定，　氛中去粗取精，去伪存真。使真理越辩越明。最后形　大坝安全有利。　成一致的、令人信服的结论。　（上接９页）４．４排水　砌，顶拱喷混凝土。　渗水、滴水严重段，线状流水和涌水段，要打排　４．６地质缺陷处理　水孔。排水孔　５０，孔深２ｍ，排距３．０×３．０，梅花　如前所述，围岩松散破碎地带，一般采用钢筋格　型布置。另外，个别地方视情况可随机布置排水孔。　构架和超前小导管预注浆支护。　涌水地段，主要是打排水孔，挖集水坑，将水抽　４．５二次支护处理　往洞外。　Ⅲ、Ⅳ、Ｖ类围岩进行全断面钢筋混凝土衬砌，　断层和部分不利结构面，现场布设随机锚杆，挂　并回填灌浆，Ⅱ类围岩进行底板和边墙的素混凝土衬　网喷混凝土加强支护。　－