摘要：东非某水电站各隧洞进出口洞段均遇到全风化片麻岩。通过现场调查及简易试验对全风化片麻岩的工程特性进行了分析研究，并采用有限元模拟了洞室的成洞条件。研究表明，全风化片麻岩强度较低，抗变形能力差，遇水后易软化泥化，开挖后成洞条件差，易产生塌方甚至冒顶等地质问题。
关键词：水电站；全风化；工程特性；成洞条件
1 引言
某水电站位于东非西北部尼罗河上。该水电站开发任务以发电为主，正常蓄水位1030m，水库总库容7987万m3，电站装机容量600MW，多年平均发电量43.73亿kWh，年装机利用小时数7290h。工程枢纽由拦河闸坝、引水系统和地下发电厂房组成。
该工程厂坝区地形平缓，表层广泛分布厚约30～40m的全风化片麻岩，引水隧洞、尾水隧洞、进场交通洞、相关施工支洞等洞室的进口洞段均会穿越该全风化层，全风化片麻岩强度低、抗变形能力差，水理性质差，对开挖洞室的稳定性造成重大影响。因此，本文在现场调查以及简易试验的基础上，对全风化岩体的工程特征进行了分析，并采用二维有限元数值模拟，对洞室的成洞条件进行了研究。
2 基本地质条件概述
2.1 区域地质
工程研究区为准平原地地貌，地势平缓，风化形成的残积层在工程研究区内广泛分布，局部零星分布基岩裸露的低山、丘陵。地层岩性主要为前寒武纪片麻岩、麻粒岩。研究区150km范围内，以东非大裂谷东、西支为界，可划分为3个大地构造单元，东非大裂谷西支以西为Nubia板块，东、西两支之间为Victoria板块，东支以东为Somalia板块。
区内主要分布艾伯丁裂谷和Aswa剪切带两个大断裂，其中艾伯丁裂谷为晚更新世以来的活动断裂，距坝址大于50km，区内中强地震主要分布艾伯丁裂谷及其附近区域，具有明显的空间分布不均一性。
近场区、场址区未发现活动性断裂，坝址区25km范围内历史上无强地震发生，地震危险性主要来源于电站外围的强震影响。本次地震安评工作委托东非当地机构承担，通过分析计算，坝址区50年超越概率10%的基岩水平向地震动峰值加速度为0.14g，相应地震基本烈度为Ⅶ度，场址区属区域构造稳定性较差区。
2.2 枢纽区工程地质条件
工程枢纽区呈准平原地貌，地势整体平缓，两岸为缓坡台地，高程一般在960～1075m，略显波状起伏，总体东北高、西南低。河谷较为开阔，呈宽“U”字型，谷岭高差约为30～50m，河道宽窄不一，为数十米至数百米。
工程区出露的地层主要为前寒武系（AnЄ）变质岩、第四系残积土、冲积层、崩滑积。其中，前寒武系（AnЄ）变质岩主要包括花岗片麻岩、角闪片麻岩、角闪岩，岩质坚硬，片麻理较发育。
枢纽区地下水主要来源于大气降水补给，根据地下水赋存条件，可分为基岩裂隙水和孔隙性潜水，以孔隙性潜水为主。枢纽区钻孔地下水位一般在10～26m。基岩中的透水性能主要与岩体的完整性，裂隙的延伸性及张开度有关。根据压水试验成果，弱-微风化岩体的渗透性很小，属于微～极微透水地层。
3 全风化层工程特性分析
根据现场调查，全风化花岗片麻岩在工程区广泛分布，厚度一般为30～40m，颜色为土黄色或红褐色，破碎后类似于粉质粘土和含砂细粒土，其结构较为紧密，无明显的孔隙，手掰可碎，强度较低，压缩性中等偏低，具有亲水性，呈弱透水或微透水性。
为了进一步查明全风化片麻岩的水理性质，在现场取全风化岩样进行了简易崩解室内试验，岩样形态特征见图1。
试验流程为：①将径长约9cm的岩样放入盛有清水的盆中，要求岩样完全浸入水中；②观察崩解过程及现象，记录初崩时间以及分别浸水1min、3min、5min、10min以及30min的崩解情况。
主要崩解现象如下：①岩样浸水后迅速产生大量气泡，泥质絮状物迅速扩散，初崩时间约为3s；②1min后，大量细颗粒从岩样上剥落，堆积于盆底，局部分解为碎块状的小块体；③3min后，岩样上产生明显的裂隙，并逐渐贯通，最终解体为径长约3～5cm的小块体；④5min后，岩样已崩解基本达到稳定，未发现明显的细颗粒剥落现象；⑤10min后，和5min时相比并无太大变化；⑥30min后，盆中水体浑浊，粘粒和胶粒呈悬浮状，去水后观察岩样，除部分强风化碎块未崩解外，全部呈粒状、泥状及渣状。试验结果显示，全风化片麻岩水理性质很差，遇水后短时间内迅速崩解软化，强度大幅降低。试验结果显示，全风化片麻岩水理性质很差，遇水后短时间内迅速崩解软化，强度大幅降低。
4 全风化层成洞条件分析
本文采用二维有限元分析软件PHASE2对全风化层的成洞条件进行分析。选取进场交通洞进口段典型洞室断面为代表性剖面，隧洞为城门洞型，尺寸为11.6×9.1m（宽×高），上覆残积层和全风化层总厚度约16m，其中残积层厚约3～5m，因此上覆覆盖层全部概化为全风化层。建立数值计算模型时，考虑到计算精度，隧洞附近处网格加密，远离隧洞处的网格较稀疏，可以较好的满足模型计算精度要求。模型左、右、下边界均施加约束，上部采用天然地面，全风化片麻岩为Ⅴ类围岩，。模拟过程分两步：①原始地应力场模拟；②全断面开挖。
根据未开挖之前的初始应力场分析（见图1），最大主应力sigma1随埋深逐渐增加，符合以自重应力为主导的地应力场的分布规律，洞室范围内的最大主应力值为0.4～0.6MPa。
5 结论及建议
（1）全风化片麻岩强度较低，抗变形能力差，透水性微弱，水理性质差，遇水后短时间内迅速崩解软化，强度大幅降低。
（2）全风化段洞室开挖后在无支护的情况下，会产生较大的变形和大范围的塑性区，成洞条件差，极有可能产生大塌方甚至冒顶。
（3）建议全风化段洞室采用注浆小导管或管棚进行超前支护，短进尺分层开挖，喷锚+钢拱架+二次衬砌支护，施工期需加强排水措施。
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作者简介：
贾海波（1980–），男，内蒙古呼市人，高级工程师，主要从事水电工程地质勘察方面的工作。E-mail：jia_hb@ecidil.com
论文作者:贾海波,黄华,彭鹏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/5/29
标签：片麻岩论文; 东非论文; 隧洞论文; 条件论文; 工程论文; 裂谷论文; 水电站论文; 《基层建设》2018年第7期论文;