厄瓜多爾CCS水電站地下廠房穩(wěn)定分析

婁國(guó)川，齊三紅，楊風(fēng)威，姚 陽(yáng)

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450003）

0 引言

塊體是由多組結(jié)構(gòu)面和臨空面相互切割形成的剛體，其大小不僅取決于洞室的尺寸、形狀和方向，也取決于結(jié)構(gòu)面的發(fā)育形態(tài)、結(jié)構(gòu)面與洞室方位的關(guān)系、塊體形狀及有無(wú)臨空條件等［1～3］。在力的作用下，處于極限平衡、需要支護(hù)才能滿(mǎn)足穩(wěn)定要求的塊體稱(chēng)為關(guān)鍵塊體，關(guān)鍵塊體一旦失穩(wěn)，有可能產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，造成整個(gè)巖體的失穩(wěn)［4～8］。 因此，塊體剪切滑移是洞室圍巖破壞的一種形式。在地下洞室開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)對(duì)開(kāi)挖揭露的各種結(jié)構(gòu)面進(jìn)行認(rèn)真調(diào)查分析，對(duì)洞室內(nèi)可能出露的楔形體進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)實(shí)際揭露的楔形體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提供合理的支護(hù)處理措施。

UNWEDGE程序是加拿大多倫多大學(xué)E．Hock等人根據(jù)塊體理論（石根華等人提出）開(kāi)發(fā)的適用于地下洞室三維塊體穩(wěn)定性分析的交互式軟件。該程序具有操作簡(jiǎn)單、界面友好、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在地下工程塊體穩(wěn)定性分析中［9～11］。本文運(yùn)用UNWEDGE程序，對(duì)在建科卡科多辛克雷（COCA CODO SINCLAIR，簡(jiǎn)稱(chēng) CCS）水電站主廠房和主變室開(kāi)挖揭露的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行分析，并提出科學(xué)的支護(hù)處理建議。

1 CCS水電站工程概況及地下廠房的地質(zhì)條件

1．1 工程概況

CCS水電站位于厄瓜多爾南部Napo省和Sucumbios省境內(nèi)的COCA河下游，總裝機(jī)容量為1 500 MW （由8臺(tái)單機(jī)容量為187．5 MW的沖擊式機(jī)組成）。廠房洞室群由主廠房、主變電室、輸電母線(xiàn)洞、高壓電纜洞、壓力管道、尾水洞和兩層排水廊道組成。主廠房及主變室均為城門(mén)洞型，走向315°，尺寸分別為 212．8 m×27．5 m×50．0 m （長(zhǎng)×寬×高）及192．0 m×17．0 m×32．5 m（長(zhǎng)×寬×高），垂直埋深 150～300 m。

1．2 地下廠房的地質(zhì)條件［12］

廠房區(qū)屬于Sinclair構(gòu)造帶，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，區(qū)域內(nèi)沒(méi)有大規(guī)模的斷層發(fā)育。廠房區(qū)巖性主要為侏羅系～白堊系Misahualli地層的灰色、紫紅色火山凝灰?guī)r和肉紅色流紋巖條帶，巖體結(jié)構(gòu)以塊狀為主。廠房區(qū)穿越的地層多為新鮮巖體，地下水為基巖裂隙水，賦存于巖體的節(jié)理裂隙中。對(duì)廠房區(qū)發(fā)育的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Misahualli地層主要發(fā)育3組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面（如圖 1 所示）：①50°～80°／SE∠70°～85°（走向／傾向∠傾角），平直粗糙，整體閉合無(wú)充填，局部鈣膜充填，延伸較長(zhǎng)，平均 0．5～1 條／m。 ②320°～350°／SW∠70°～80°，平直粗糙，泥質(zhì)條帶或方解石脈充填，寬度2～3 mm，局部1cm，少數(shù)高嶺土化，延伸長(zhǎng)度大于 10m。③310°～320°／NE∠5°～15°，結(jié)構(gòu)面零星發(fā)育，數(shù)量少，延伸長(zhǎng)，整體充填2 mm左右?guī)r屑，局部充填大于10 mm的方解石脈。

2 CCS水電站地下廠房洞室塊體穩(wěn)定分析

經(jīng)典塊體理論將結(jié)構(gòu)面與臨空面相互切割形成的塊體分為如圖2所示的幾種塊體類(lèi)型。工作過(guò)程中，要對(duì)結(jié)構(gòu)面與臨空面相互切割形成的塊體進(jìn)行搜索分析，查找出處于極限穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵塊體，并對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算和采取支護(hù)措施［13］。

圖1 CCS水電站地下廠房節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 Statistics of CCS hydropower station underground powerhouse joint fissure

圖2 CCS水電站地下廠房塊體分類(lèi)圖Fig.2 CCS hydropower station underground powerhouse block classification

2．1UNWEDGE程序的工作思路

UNWEDGE version3．0版本較之前版本增加了地下水、地應(yīng)力、地震力等功能，其工作思路主要為：以地下洞室開(kāi)挖的形狀和尺寸為幾何模型，在軟件中輸入3組典型結(jié)構(gòu)面，并結(jié)合開(kāi)挖臨空面作為四面體的邊界條件。以各組結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)為介質(zhì)條件，自動(dòng)搜索出結(jié)構(gòu)面在洞室各個(gè)部位切割形成的最大塊體，并計(jì)算出各個(gè)塊體的體積、重量和塊體穩(wěn)定性［9～11］。 軟件中，可以根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查的塊體規(guī)模，對(duì)系統(tǒng)默認(rèn)的最不利塊體組合進(jìn)行規(guī)模限制，使得結(jié)構(gòu)面組合到的塊體與實(shí)際揭露的塊體更加符合，增加塊體分析的真實(shí)性、合理性，并科學(xué)地指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。

2．2 地下廠房塊體的系統(tǒng)搜索及穩(wěn)定性分析

該電站地下主廠房和主變電室跨度較大。洞室開(kāi)挖之后，不穩(wěn)定塊體臨空條件較好。為了避免施工過(guò)程中發(fā)生塊體滑移等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，在前期場(chǎng)區(qū)出露優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上，運(yùn)用UNWEDGE程序?qū)Σ环€(wěn)定塊體進(jìn)行搜索，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。在分析計(jì)算過(guò)程中，采用的結(jié)構(gòu)面的參數(shù)為：節(jié)理 J的內(nèi)摩擦角為 29°，內(nèi)聚力為 0．05 MPa；斷層 f的內(nèi)摩擦角為22°，內(nèi)聚力為0．1 MPa。楔形體搜索分析結(jié)果如圖3和表1所示。

由表1可知：在主廠房和主變電室開(kāi)挖過(guò)程中，受結(jié)構(gòu)面切割，下游邊墻（塊體2）和上游側(cè)頂拱（塊體8）很有可能發(fā)生塊體失穩(wěn)現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)這3組結(jié)構(gòu)面進(jìn)行編錄與分析，并根據(jù)其延伸長(zhǎng)度和出露位置，及時(shí)做出相應(yīng)的地質(zhì)預(yù)報(bào)，以此來(lái)指導(dǎo)加固工程的施工。

圖3 CCS水電站地下主廠房和主變電室塊體組合Fig.3 CCS hydropower station underground powerhouse blocks of main powerhouse and main transformer

2．3 不穩(wěn)定塊體及其支護(hù)有效性分析

經(jīng)典塊體理論假設(shè)結(jié)構(gòu)面是平直且無(wú)限延伸的，UNWEDGE程序自動(dòng)搜索出來(lái)的塊體為各組結(jié)構(gòu)面與洞室形成的最大規(guī)模的三角體，而實(shí)際工作過(guò)程中，結(jié)構(gòu)面的延伸長(zhǎng)度有限，開(kāi)挖揭露的塊體規(guī)模較小。因此，對(duì)實(shí)際揭露的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)面的延伸長(zhǎng)度對(duì)塊體規(guī)模進(jìn)行限制。

CCS水電站地下廠房的主廠房和主變電室開(kāi)挖過(guò)程中，在下游邊墻均出現(xiàn)一處塊體，根據(jù)出露塊體的規(guī)模，運(yùn)用UNWEDGE程序?qū)K體支護(hù)前后的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，具體如圖4～圖5和表2所示。分析計(jì)算過(guò)程中，采用的結(jié)構(gòu)面的參數(shù)同上述，地震加速度為0．3 g，采用的支護(hù)參數(shù)為：φ25的錨桿抗拉強(qiáng)度為137 kN、φ28的為172 kN，錨桿黏結(jié)強(qiáng)度為2．5 MPa，混凝土單位體積質(zhì)量為 2．60 kg／m3，混凝土剪切強(qiáng)度為2.0 MPa。

表1 地下主廠房和主變電室塊體穩(wěn)定性分析Table 1 Block stability analysis of main powerhouse and main transformer of underground powerhouse

圖4 地下主廠房CM-W1塊體形態(tài)Fig.4 CM-W1 block form of underground main powerhouse

圖5 地下主變電室CT-W1塊體形態(tài)Fig.5 CT-W1 block form of underground main transformer

由表2的分析結(jié)果可知，塊體CM-W1和CTW1在支護(hù)之前安全系數(shù)均小于1，處于失穩(wěn)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)支護(hù)以后，自然工況下，安全系數(shù)均大于2；地震工況下，安全系數(shù)均大于1.5，滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。鑒于此，施工過(guò)程中，建議施工方采用了“小藥量、多循環(huán)、強(qiáng)支護(hù)”方法，對(duì)開(kāi)挖揭露出來(lái)的塊體及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)完成之后，再進(jìn)行下一循環(huán)的開(kāi)挖，成功避免了塊體失穩(wěn)帶來(lái)的危害。

表2 地下廠房等塊體穩(wěn)定性分析結(jié)果Table 2 Block stability analysis results of underground powerhouse

3 結(jié)語(yǔ)

UNWEDGE程序是在塊體理論的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的針對(duì)地下洞室塊體穩(wěn)定性分析的專(zhuān)業(yè)軟件，軟件操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大。在CCS水電站建設(shè)過(guò)程中，UNWEDGE程序得到成功運(yùn)用，并很好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。

UNWEDGE程序默認(rèn)的是由3組結(jié)構(gòu)面和開(kāi)挖臨空面組合而成的四面體塊體，結(jié)構(gòu)面無(wú)限延伸，組合成的為最大不利塊體。但在實(shí)際工作中，塊體的組合形式多樣，且節(jié)理延伸長(zhǎng)度有限。因此，需要地質(zhì)工程師對(duì)結(jié)構(gòu)面的延伸長(zhǎng)度、空間位置和規(guī)模性狀進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查分析，在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)行更符合實(shí)際的塊體穩(wěn)定性分析工作。

［1］ 張卓元，王士天，王蘭生，等．工程地質(zhì)分析原理［M］．北京:地質(zhì)出版社，1994:5．

［2］崔冠英．水利工程地質(zhì)［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，2008:110．

［3］ 劉豐收，崔志芳，王學(xué)朝，等．實(shí)用巖石工程技術(shù)［M］．鄭州:黃河水利出版社，2002．9．

［4］ Goodman R E，Shi Gen-hua．Block theory and its application to rock engineering ［M］．New Jersey:Prentice-Hall Inc，1985．

［5］李建勇，肖?。畮r體穩(wěn)定性分析的塊體理論方法研究［J］．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46（21）:4-8．

［6］董家興，徐光黎等．基于塊體理論的巖壁吊車(chē)梁巖臺(tái)穩(wěn)定性分析［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011（3）:444-448．

［7］陳孝相，夏才初等．基于關(guān)鍵塊體理論的隧道分部施工時(shí)空效應(yīng)［J］．長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011（3）:57-62．

［8］曾憲營(yíng)，馮宇等．Unwedge程序在隧道圍巖塊體穩(wěn)定性及敏感性分析中的應(yīng)用 ［J］．中外公路，2012（4）:189-192．

［9］王能峰，周云金．以瀑布溝水電站為例淺析UNWEDGE程序在地下洞室開(kāi)挖支護(hù)中的應(yīng)用 ［J］．水電站設(shè)計(jì)，2006（6）:105-107．

［10］劉義虎，張志龍．Unwedge程序在雪峰山隧道圍巖塊體穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用［J］．中南公路工程，2006（2）:31-33．

［11］ unwedge User's Guide．3D visualization of potentially unstable wedge in the rock surrounding underground excavationsand calculation offactorsofsafety and support requirements for these wedge ［Z］．1992～1999．Rocscience， Inc．

［12］ Yellow River Engineering Consulting Co．， Ltd．The BasicReportofCoca-Codo SinclairHydroelectric project［R］．Zhengzhou，2011．

［13］楊繼華，郭衛(wèi)新．基于UNWEDGE程序的地下洞室塊體穩(wěn)定性分析［J］．資源環(huán)境與工程，2013，27（4）:379-383．