拉西瓦水电站尾水隧洞岩爆的特征与预防措施

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1、拉西瓦水电站尾水隧洞岩爆的特征与预防措施孟庆亮杨宏正崔颖林1前言岩爆是深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象，当岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，破坏了岩体结构的平衡，多余的能量导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。轻微的岩爆仅剥落岩片，造成片帮但无弹射现象。强烈的岩爆常常会带来灾难性的后果，造成人员伤亡或施工设备损坏。岩爆一般持续几天有时甚至数月。岩爆产生的条件：①近代构造活动山体内地应力较高，岩体内储存着很大的应变能，当该部分能量超过了硬岩石自身的强度时；②围岩坚硬新鲜完整，裂隙极

2、少或仅有隐裂隙，且具有较高的脆性和弹性，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，当应力解除后，回弹变形很小；③隧洞埋深较大（一般埋藏深度多大于200m）且远离沟谷切割的卸荷裂隙带；④地下水较少，岩体干燥；⑤开挖断面形状不规则，大型洞室群岔洞较多的地下工程，或断面变化造成局部应力集中的地带。2拉西瓦地质状况拉西瓦水电站引水发电系统洞室群地处峡谷，山高坡陡。右岸岸坡河床至正常蓄水位2425m，坡度为65～70°，2425～2600m高程间30～45°，2600m以上60～65°。拉西瓦地下洞室群位于右岸地下，岩性

3、为花岗岩，该花岗岩体为中粗粒结构，呈灰～灰白色，块状结构，矿物成分以长石、石英、黑云母为主，岩石强度高，岩体致密坚硬，总体以II类围岩为主，局部为III、IV类。根据厂房区实测资料最大地应力σ1为14.6～29.7MPa，平均21.63MPa，最小主应力σ3为3.7～13.1MPa，平均9.20MPa，岩体饱和抗压强度平均值σc为110MPa,饱和抗拉强度平均值σt为6.7MPa，经过分析预测，拉西瓦地下洞群开挖时均有可能发生岩爆，但其程度以轻微为主，局部可能达中等程度，且岩爆多表现为片状剥落、片帮等方式。特别是

4、我局承建的拉西瓦水电站尾水系统工程，隧洞位于右岸地下，距地表垂直距离390～550m左右。围岩以II类为主，成洞条件较好。但是隧洞埋深较大，且穿越河谷应力包，围岩坚硬干燥，地应力高达25～30MPa，σc/σ1＝110/25～110/30＝4.4～3.67，符合发生岩爆的条件，在施工过程中也确实出现了不同程度的岩爆。我局承建的尾水管扩散段，位于河谷应力包过渡带，加之由于该段开挖断面为由城门洞型（13.5m×18.56m）变为方形（15.096m×9.666m），应力集中，岩爆经常在拱肩位置发生。3岩爆的产生条件（

5、参见图1）审稿：黄久昌刘祥吾张卫东判断岩爆发生的应力条件有两种方法：一是用洞壁的最大环向应力σθ与围岩单轴抗压强度σc之比值进行分析；二是用天然应力中的最大主应力σ1与岩块单轴抗压强度σc之比进行判断。3.1围岩应力条件经验公式：σ1/σc>0.165～0.35（或σc/σ1>6.06～2.86）的脆性岩体最易发生岩爆。 3.2岩性条件弹性变形能系数ω：加载到0.7σc后再卸载至0.05σc时，卸载释放的弹性变形能与加载吸收的变形能之比的百分数。当ω＞70％时，可能产生岩爆，ω越大发生岩爆的可能性越大。 3.3

6、影响岩爆的因素3.3.1地质构造岩爆大都发生在褶皱构造的坚硬岩石中。岩爆与断层、节理构造密切相关。当掌子面与断裂或节理走向平行时，极容易触发岩爆。岩体中节理密度和张开度对岩爆有明显的影响。据南非金矿观测资料，节理间距小于图1岩爆产生条件40cm，且为张性节理时，一般不发生岩爆。掌子面岩体中有大量岩脉穿插时，也可能发生岩爆。3.3.2洞室埋深随着洞室埋深增加，岩爆次数增多，强度也增大。3.4岩爆形成机理和围岩破坏区分带见图2。A、劈裂成板阶段（岩爆孕育）垂直洞壁方向受张应力作用而产生平行于最大环向应力的板状劈裂。仅

7、在洞壁表部，部分板裂岩体脱离母岩而剥落，而无岩块弹射出现。 B、剪切成块阶段(岩爆的酝酿)劈裂岩板向洞内弯曲，发生张剪复合破坏。处于爆裂弹射的临界状态。 A、劈裂；B、剪断；C、弹射C、块、片弹射阶段图2岩爆渐进破坏过程示意图劈裂、剪断岩板，产生响声和震动。岩块发生弹射，岩爆形成。岩爆的渐进性破坏过程很短促。各阶段在演化的时序和发展的空间部位，都是由洞壁向围岩深部依次重复更迭发生的。因此，岩爆引起的围岩破坏区自外向内分弹射带、劈裂-剪切带和劈裂带等三个条带。 4拉西瓦水电站尾水洞岩爆的特点拉西瓦水电站尾水洞的岩爆

8、一般具有以下特点：（1）岩石以花岗岩为主，岩石坚硬干燥，在未发生前，无明显的征兆，虽经过仔细寻找，并无空响声，一般认为不会掉落石块的地方，会突然发生岩石爆裂声响，石块一般应声而下。（2）岩爆发生的地点多在新开挖的掌子面及距离掌子面1～3倍洞径范围内，个别的也有距新开挖工作面较远；城门洞形常见的岩爆部位以拱部或边墙部位为多，渐变段常见的岩爆以拱肩部位为多；岩爆在开挖后陆续出