2.3　主要工程地质问题分析

2.3.1　地下洞室群特点及主要工程地质问题

2.3.1.1　地下洞室群特点

（1）龙滩水电站地下厂房规模巨大。厂房洞室群主要包括9条引水洞、主厂房、主变洞、9条母线洞、9条尾水支洞，3个调压井、3条尾水洞，是当时世界已建成的最大水电工程地下洞室群。地下厂房、主变室、调压井三大洞室平行分布在左岸山体内（轴线方向310°）；3条尾水洞规模也较大，开挖直径达22.5m。

（2）洞室条数多、且形态各异。在左岸地下0.5km3的山体内布置布置了119条大小、形态各异的洞室，立面上纵横交叉，各洞室间间距小，岩墙厚度一般为1～1.5倍洞径，最小的仅有0.8倍洞径。

（3）由于受F63断层（在地下厂房区F63与F69组合破碎带宽度近10.0m，F63与水库直接接触）等地质条件控制和枢纽建筑物布置限制，主要洞室（主厂房、主变洞、调压井）轴线与主要结构面（层面和层间错动）走向夹角仅为32°～35°。

（4）单体洞室的位置与轴线选择，不仅要考虑单体围岩稳定条件，更要考虑洞室群的稳定要求和枢纽建筑物的布置要求。如有的洞室能够使其轴线与岩层走向保持较大夹角，有的则无法避免。

2.3.1.2　洞室群主要工程地质问题

（1）T2b18层泥板岩厚度大（约50.0m），进水口高边坡坡脚与进水口洞段不可避免，其强度与变形特性，将直接影响枢纽布置方案及地下厂房方案。

（2）选定的主洞室群（厂房、主变室、调压井）轴线310°，与主要结构面（层面和层间错动）走向夹角仅为32°～35°，主洞室群围岩稳定问题、进水口洞段围岩稳定问题突出。主要洞室上游高边墙存在潜在滑动和下游边墙存在倾倒变形的风险，洞室间的岩柱稳定和高边墙围岩稳定性评价无类似工程经验。

（3）主洞室存在由层间错动、断层和缓倾角节理等组成的大大小小的块体稳定问题。

2.3.2　主要工程地质问题研究

2.3.2.1　T2b18泥板岩强度

T2b18泥板岩厚度大，该岩层劈理发育，为龙滩水电站工程区各类岩石中强度相对较弱的岩石，且T2b18层进水口边坡坡脚出露，处于坝基（肩）应力较大部位，又是9条引水隧洞洞口段的围岩。为论证其强度，进行了不同试验条件下的室内单轴、三轴强度和现场三轴强度试验。

试验表明，微风化泥板岩单轴饱和抗压强度平均值为60.2MPa，小值平均值为44.9MPa。干湿循环试验条件下，7次循环后，强度降低约22%；以后至90次循环，强度基本保持稳定。高压渗流状态下，强度约降低6.5%～11.4%。三轴强度试验，围压每增加0.1MPa，强度提高0.55～0.9MPa。当压应力方向与劈理面夹角为20°～25°（与层面近于平行）时，微风化泥板岩单轴饱和抗压强度仅为13.4～23.4MPa，三轴强度亦明显降低，沿劈理面复合部位构成的剪切滑移破裂面倾角约为75°～79°。因此设计时，应适当控制和调整主压应力的方向与量级，保证岩体处于三向应力工作状态。现场三轴试验（试件尺寸86cm×86cm×172cm）的成果基本上反映了坝区微风化—新鲜泥板岩岩体的强度特征。

弱风化泥板岩单轴饱和极限抗压强度仅相当于微风化泥板岩强度的43%～67%，且均一性差，离散系数高达51.5%。

钻孔弹模测试成果表明，微风化—新鲜泥板岩岩体其弹模平均值为28GPa，标准差为4.4GPa；变形模量的平均值为23.4GPa，标准差为3.2GPa。

2.3.2.2　围岩稳定性块体分析与主要洞室围岩分类

为了准确地评价地下厂房区围岩块体稳定性和岩体质量，在厂房区完成了大量平洞勘探，充分地揭示了岩体的结构特征；并对勘探洞围岩进行了声波测试、岩石或岩体物理力学性质测试以及探洞（试验洞）围岩变形观测，获取了岩体完整性和物理力学性质指标，如围岩声波特征值、抗压强度、围岩的变形模量、弹性模量以及结构面的抗剪强度等。在此基础上，开展了地下洞室围岩稳定性块体分析和岩体质量评价。

1.楔体分析法

由断层、层面或层间错动和缓倾角复合结构面组合的大、中块体（＜100m3），分析得出此类块体较少；由层面和其他节理组合的块体（100～0.1m3），根据节理统计长度或面频度分析此类楔体的大小和发育频度，分析得出此类块体较多。

根据楔体分析成果，建议对大、中型块体给予专门处理（锚索或长锚杆），对小型块体一般用随机锚杆加系统锚杆处理。施工开挖揭露，大中型特定块体与分析时的相近，节理裂隙构成的不稳定小块体比分析时的少。因此，少量的随机锚杆就保证了洞室围岩的稳定。

在地下厂房主洞室顶拱或侧墙（壁）出露的较大的断层有F5、F12、F18、F1、F13、F56等断裂，此外，为随机分布的裂隙性小断层、层间错动和节理。上述软弱结构面组合，可能构成导致洞室围岩失稳的块体有以下几种类型：①类由3条断层或2条断层和层间错动（层面）构成的特定楔体，它的规模和稳定性取决于在洞周壁实际出露形态。该类型楔体主要出露在发电引水洞1号机的下平段，1～8号机的上平段顶拱以及主厂房南端主安装场，且多出现在F1断层带两侧。发电引水洞可能出现的楔体体积从几立方米至上百立方米，楔体高度（深度）为1.0～14.0m，维持稳定所需支护力为0.01～0.12MPa，主安装场边墙可能出现的最大楔体体积为6082m3，最大楔体高度为17.15m（实际开挖揭露方量为3770m3，最大深度为18.5m）。②类由断层或层间错动和少量延伸较长（5～20m）的缓倾角节理或裂隙性错动面构成的楔体。该类块体出现的随机性较大，在每条断层与洞壁交汇处、洞室交叉口都有可能发生。块体规模受缓倾角节理和裂隙性错动面长度控制，体积为5～1000m3，由于楔体发育深度一般较小，受地下水和开挖爆破影响失稳，由此产生的山岩压力为0.01～0.1MPa。③类由断层或层间错动与复合节理面构成的楔体，是洞室中规模最大的一类楔体，该类块体除需克服阻止块体下滑的摩阻力外，还需拉（剪）断复合节理面中很大部分完整岩体，如主厂房上游侧墙F1、F56断层与层间错动组合构成的悬挂体，最大深度为18.0～29.0m，体积为8000～13000m3。虽然该类块体规模较大，但一般稳定性尚可，为防止该楔体部位围岩发生较大变形，应对其适当加强支护处理。④类由随机节理构成的节理楔体出现概率最大，在洞壁最大出现频率为3～5个/（100m2）；块体体积为0.002～1.7m3，其中70%的块体体积小于0.1m3，大于1m3的块体仅占10%，块体厚度（深度）一般为0.5～3.0m，可见节理块体虽然数量多，分布广，但其规模小，对洞室围岩稳定影响不大，施工期间这些块体可能失稳，并危及施工人员安全，撬除危岩和喷锚支护是处理这类块体的有效措施。

洞室交叉口中稳定性较差的楔体主要出现在主变室与母线洞、调压井与尾水管、厂房与尾水管、尾水洞支管与尾水洞等交叉口，最大楔体体积小于500m3，考虑施工爆破和地下水影响，其楔体失稳频率达50%～70%。

2.围岩分类

近几十年来，随着地下工程的越来越多，规模也越来越大，地下洞室围岩质量评价与分类方法也愈来愈多，并日趋完善，从早期的定性分类，发展到现在的半定量至定量分类；从早期巴顿的Q系统分类、RMR分类，到现在的水电工程围岩工程地质分类和工程岩体分级，可用的方法较多。龙滩工程主要采用了以下4种方法。

（1）巴顿的Q系统分类法。

Q=（RQD/Jn）·（Jr/Ja）（Jw/SRF）

式中：Jn为节理组数；Jr为节理的粗糙系数；Ja为节理的蚀变系数；Jw为节理的水折减系数；SRF为应力折减系数。

它重点体现了围岩质量的3个方面：岩体的完整性、岩体结构及其结构面力学性能和地应力对围岩质量的影响，突出了结构面的力学性能对围岩质量的影响。其缺陷是：虽有Q值定量指标，但其分项指标（或标准）基本上来自于地质的定性描述与统计，人为因素大，且同类围岩差值大，该分类标准实际上是一种以定性标准为主的半定量标准；龙滩早期采用了此类方法。

（2）岩体地质力学分类（RMR分类）。该方法由Bienawski提出，后多次修改，于1989年发表在《工程岩体分类》一书中。该分类由岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件（性状）、地下水等五类指标构成，求和得总分RMR值，其满分采用百分制，再根据主要结构面产状与洞室轴线关系修正RMR值。该方法与Q系统分类比较，引入了一些岩石试验成果，并且根据主要结构面与洞室轴线关系给予修正（但未分洞室边墙和洞室顶拱修正），它是一种半定性半定量的围岩分类方法，对于龙滩工程以层状岩体为主、层面是控制围岩稳定的主要结构面来说，此类方法更为适用和合理。

（3）SD分类法。该方法即《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50287）中的水电工程围岩工程地质分类，它主要考虑了岩石强度、岩体完整性（Kv）、结构面状态、地下水及主要结构面产状等因素。该方法最大的优点就是在得出的基本分（满分100分制）基础上，考虑结构面走向与洞轴线夹角及结构面倾角，分洞顶和洞壁进行折减。此类方法是建立在大量的岩石（体）力学强度试验和围岩声波测试成果基础上才能完成，是一种比较合理的和精确的分类方法。龙滩水电站地下洞室群围岩试验及声波测试成果较多，采用了此类方法。

（4）工程岩体分级标准（GB 50218）。岩体基本质量指标根据公式BQ=90+3Rc+250Kv计算，并有两个限制条件：当Rc＞90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv代入上式计算BQ值；当Kv＞0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入上式计算BQ值。对于地下工程，再根据地下水影响、主要软弱结构面产状影响、初始应力状态影响3个方面进行修正，从上面的表达式可以看出它是一种定量分类（级）标准，对影响围岩质量的各个因素考虑得比较全面，岩体完整性系数与岩体的单轴饱和抗压强度是控制因素，但要进行具体围岩分级同样也需要大量的岩石（体）力学强度试验和围岩声波测试成果（计算完整性系数），并进行统计。龙滩水电站工程在前期勘察阶段，利用坝基和地下厂房区的钻孔、平洞声波测试成果，分不同的岩性或工程岩组、不同的风化程度的岩体声波值（范围值、平均值）进行统计；施工阶段同样也分不同的岩性或工程岩组、不同的风化程度、对坝基和地下洞室围岩声波检测成果进行范围值、平均值、标准值统计，并对前期各围岩的声波特征值予以复核（经复核地下厂房区，Ⅱ类、Ⅲ类围岩的声波特征值一般为5000～5600m/s），对岩石的单轴饱和抗压强度值（范围值、平均值）进行统计，利用上述Rc、Kv各特征值，进行对应的BQ值（基本值）计算。

根据上述4种分类方法综合评价龙滩水电站地下洞室围岩类别与之相对应的围岩物理力学性质指标，并根据反分析计算成果和施工阶段实际揭露的情况（实际围岩稳定情况及其变形情况）等，调整围岩类别和围岩的物理力学参数指标，见表2.9；施工阶段三大洞室围岩质量分类统计见表2.10。

施工阶段揭露的主厂房上游边墙、左端墙岩体出现滑移张弛变形，上游边墙F1楔体区过大位移，下游边墙、右端墙岩体的倾倒松弛变形，下游边墙监测锚杆应力大，母线洞与厂房边墙交叉口岩体变形较大，都证实了大中型楔体、陡倾角岩层层面、层间错动是影响地下厂房三大洞室围岩稳定的控制性因素。前期围岩稳定性分析与评价充分考虑楔体的稳定性和层面、层间错动对围岩稳定性的影响是完全正确的，以此确定的工程处理措施是合适的。

2.3.2.3　洞室间距选择与洞室间岩墙（柱）稳定性分析

地下洞室群岩墙（柱）稳定性分析是一个复杂问题。为研究龙滩水电站地下洞室群岩墙（柱）稳定性，设计阶段曾做过许多计算研究工作，如平面有限元计算、模拟试验、用E.Hoek矿柱破坏理论估算地下洞室群间岩墙（柱）稳定性等，虽然它们各有局限性，但对地下洞室群岩墙（柱）稳定性评价及围岩支护处理仍具有指导意义。

龙滩水电站地下洞室群主洞室设计间距，满足或基本满足大于洞室跨度1～1.5倍；洞室间距大于按Fenner公式圈定的相邻两洞室塑性松弛最大深度之和；平面有限元计算岩墙（柱）内主压应力小于岩石允许承载强度，除主厂房、主变室与母线洞、尾水管之间的岩柱内有较大的拉应力，可能构成局部贯穿性塑性破损区外，其余各岩墙（柱）基本上仍为单轴受压状态，不存在大面积贯穿性破损区。

按E.Hoek和E.T.Brown推荐采用岩柱平均强度（σc）与岩柱平均应力（σp）之比，评价岩墙（柱）安全度的方法判断，计算成果见表2.11。结果表明：尾水管及尾水洞支管段岩柱稳定安全系数偏小，属稳定性差的岩柱，2号、3号调压井间岩柱稳定安全系数小于1.0，属不稳定岩柱，其余各岩柱介于1.5～4.0之间，基本满足安全系数大于1.5的要求。

主变室与调压井间岩墙，因调压井的深挖，导致约15m厚倾向调压井的层状岩体两端临空，稳定性较差。主厂房副安装场端墙，受F63断层切割，形成宽约为35.0m、厚为22.0～32.0m、高约为30.0m的岩柱。3号调压井北端墙受F63断层切割，形成宽约为15.0～32.0m、高约为57.0m的岩柱，靠下游侧墙底部最小宽度仅为15.0m左右。

对于因洞室交叉布置或受断裂构造切割影响，岩柱（墙）较单薄，稳定性较差的部位，采用加强锚固处理。施工期监测成果显示，松弛圈与塑性圈比理论计算值要小。

2.3.2.4　施工期围岩稳定性研究

施工期主要通过开挖揭露的地质现象、检测、监测结果等信息，分析评价洞室围岩稳定性，复核支护处理设计是否合理。

施工开挖后，围岩声波测试成果显示：主厂房围岩松动圈深度一般小于2.0m，塑性变形深度小于5.0m（利用声波监测成果分析）。位移监测显示：厂房顶拱变形相对较小，位移量在0～37.0mm（最大值在拱座处）；边墙变形一般在5～35mm之间（这些结果比预测值略偏小）。据此，围岩支护处理主要措施是合适的。主厂房系统锚杆长6.0～9.0m、间距1.2～1.5m，施工期在边墙增加了长锚索4～5排；调压井系统锚杆长8.0～9.0m、间距1.5m，上游边墙增加锚索9排（其中4排与主变室对穿），下游边墙增加锚索6排；局部块体或应力条件较差的岩柱（墙）适当加强支护处理。

由于陡倾角岩层层面与洞轴线交角仅35°～40°，且岩层为中—厚层夹薄层结构，层间错动（或层间光面）发育，使主厂房上游边墙、左端墙岩体呈现滑移张弛变形；下游边墙、右端墙岩体呈现倾倒松弛变形。位于主厂房上游边墙油气管廊道、1号引水隧洞下平段、第Ⅱ层、第Ⅲ层排水廊道上游段出现顺层微张；下游边墙监测锚杆应力大，母线洞与厂房边墙交叉口岩体拉裂变形，特别是1号、2号母线洞喷护混凝土开裂等。上游边墙（桩号HR0+20.000～HL0+43.000）的F1、F56、F56-1等断层与层面和延伸较长的缓倾角复合节理面（产状：N25°～45°E，NW∠25°～32°）组合的块体区（方量为3768m3，最大深度为18.5m），沿F1断层和层面开裂明显，上游边墙HL0+00.000、高程234.00m处的F1构成的块体区，累计位移量为89mm。针对上述边墙的变形特征，在厂房第Ⅰ层、第Ⅱ层、第Ⅲ层开挖完成后，对下游边墙HR0+15.000～HL0+70.000的岩壁吊车梁附近锚杆加密至0.6m，并加粗了锚杆；在1～2号、2～3号母线洞墙体分别增加12根、25根2000kN锚索；上游边墙F1块体区（高程206.00m以上）的锚索达11排共62根锚索（包括8根与高程263.00m排水洞的对穿锚索）。通过上述处理，使得主厂房地下洞室围岩趋于稳定。施工阶段，发现调压井同样存在各井上游边墙、左端墙岩体滑移张弛变形，下游边墙、右端墙岩体倾倒松弛变形。表现较突出的是1号井下游9-1号施工支洞口，岩层倾倒开裂约为10mm，在增加锚索处理后，变形得到了控制。尾水调压井岩墙（柱）较多，上游与主变室岩墙厚度约为27.0m，与主变室之间有厚度为15.0m的岩层两面临空，致使岩体向调压井滑移变形加剧，对此，设计采用对穿锚索、系统锚索、8.0～9.0m的长锚杆进行支护处理，确保洞室围岩稳定。