基于塊體理論的地下洞室施工期定位塊體穩(wěn)定性分析研究

劉登學(xué)，黃書嶺，李 堅，董志宏，張 練

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010；2.云南省滇中引水工程有限公司，云南 麗江 674199)

我國多個已建大型地下洞室的工程實踐均表明，及時快速的塊體失穩(wěn)風(fēng)險評估是確保洞室施工期圍巖安全的重要工作內(nèi)容之一，是工程現(xiàn)場加強局部支護措施的一項重要依據(jù)。由石根華與Goodman等[1]合作建立的塊體理論是一種可以有效識別塊體并評估其穩(wěn)定性的方法。該方法自提出以來，已在地下洞室、邊坡[2]等巖體工程穩(wěn)定性分析中得到了廣泛應(yīng)用。裴覺民等[3]應(yīng)用該理論分析了水電站的地下廠房洞室穩(wěn)定問題，鄔愛清等[4-5]和黃正加等[6]對塊體理論應(yīng)用于工程問題中所涉及到的凹形塊體問題，塊體水壓模擬等問題進行了研究，并將塊體理論應(yīng)用于三峽船閘高邊坡及地下廠房塊體穩(wěn)定性分析。盛謙等[7]應(yīng)用塊體理論對三峽地下廠房圍巖中裂隙可能構(gòu)成的隨機塊體問題進行了分析。張奇華等[8-9]、周 偉[10]和張靖杰等[11]針對塊體理論開發(fā)了相關(guān)軟件并成功應(yīng)用于地下工程巖體穩(wěn)定性分析中。李紅旭等[12]利用塊體理論對某水電站地下廠房區(qū)可能構(gòu)成的塊體類型進行了研究，并統(tǒng)計分析了塊體的幾何特征與穩(wěn)定性。胡義等[13]將塊體理論應(yīng)用于大渡河大崗山水電站的主廠房圍巖穩(wěn)定性分析中。有些學(xué)者還將隨機理論引入其中，分析塊體系統(tǒng)的可靠度問題[14-15]。

本文闡述了基于塊體理論的地下洞室施工期定位塊體穩(wěn)定性分析策略，并將其應(yīng)用于陽江抽水蓄能電站地下廠房洞室群施工期圍巖穩(wěn)定性分析中，根據(jù)陽江抽水蓄能電站地下洞室群實際開挖揭露的地質(zhì)條件，在現(xiàn)場施工地質(zhì)研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場踏勘對開挖揭露地質(zhì)條件和巖體結(jié)構(gòu)特征的認識，首先對地下廠房圍巖巖體結(jié)構(gòu)特征進行全面的量化分析和比較，其次基于塊體理論對主廠房施工期存在的定位塊體問題進行分析。

1 基于塊體理論的地下洞室施工期定位塊體穩(wěn)定性分析策略

1.1 塊體理論簡介

塊體理論將結(jié)構(gòu)面和開挖臨空面假定為空間平面，塊體則為由空間平面相互切割而形成的幾何凸體，將塊體所受的自重、裂隙水壓力及錨固力等作用荷載看成空間向量，然后應(yīng)用幾何方法(拓撲學(xué)和集合論)判斷巖體內(nèi)可形成塊體的類型及其可動性。最后通過靜力平衡計算，求出各類可動塊體的安全系數(shù)以找出開挖面上所有的關(guān)鍵塊體，并計算出所需錨固力，作為工程加固措施的設(shè)計依據(jù)。

地下洞室、邊坡等巖體工程開挖之前，結(jié)構(gòu)面的具體位置信息不能確定，此時可進行不定位或半定位塊體分析。巖體工程開挖后，通過對實際揭露的結(jié)構(gòu)面性狀及位置進行統(tǒng)計描述，可進行定位塊體分析，此時塊體的體積、埋深及幾何形態(tài)均是確定的，因此可根據(jù)塊體穩(wěn)定性分析結(jié)果對設(shè)計支護方案進行校核并在必要時提出修改意見，以保證塊體的穩(wěn)定性。

1.2 地下洞室施工期定位塊體穩(wěn)定性分析基本思路

地下洞室施工期定位塊體穩(wěn)定性分析基本思路為：首先根據(jù)地下洞室施工期實際開挖揭露的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面信息，尋找在洞室頂拱或邊墻部位可能形成不穩(wěn)定塊體的結(jié)構(gòu)面組合，并進行全空間赤平投影分析，利用塊體理論中的有限性定理和可動性定理判斷塊體是否為有限可動塊體，并進一步判斷有限可動塊體潛在的失穩(wěn)模式；然后利用所揭露結(jié)構(gòu)面的位置信息進行塊體的空間幾何形態(tài)描述，獲得有限可動塊體的方量、滑動面的面積以及塊體的埋深等信息；最后，基于塊體的失穩(wěn)模式、幾何形態(tài)及相應(yīng)結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)等，計算有限可動塊體的安全系數(shù)，對于塊體安全系數(shù)不滿足設(shè)計要求的，則需計算塊體達到允許最小安全系數(shù)所需支護力。塊體穩(wěn)定性分析流程見圖1[16]。

圖1 塊體穩(wěn)定性分析流程圖[16]

2 工程概況及廠區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征

2.1 工程概況

陽江抽水蓄能電站位于廣東省西部的陽江市—陽春八甲鎮(zhèn)高屋村，屬漠陽江的二級支流白水河流域。電站總裝機規(guī)模2 400 MW，采用近、遠兩期建設(shè)，近期裝機規(guī)模1 200 MW，遠期裝機規(guī)模1 200 MW，為Ⅰ等大(1)型工程。地下廠房系統(tǒng)由主副廠房、主變洞、母線洞、尾水閘門廊道、尾閘運輸洞、高壓電纜洞、交通洞、進風(fēng)豎井、排風(fēng)豎井、排水廊道以及地面開關(guān)站等組成，地下廠房各部位主要尺寸：主機間長88.5 m、寬27.5 m、高60.2 m；安裝場長44.0 m、寬27.5 m、高26.95 m；副廠房長24.0 m、寬27.5 m、高50.9 m。

根據(jù)地質(zhì)測繪、鉆孔及探洞揭露，廠房區(qū)地層巖性主要以燕山三期(γ52(3))灰白色中粗粒黑云母花崗巖和混合巖為主，斷裂不發(fā)育，具有整體和塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖類別以Ⅰ類—Ⅱ類為主，占85%以上[17]，見圖2。

圖2 開挖揭露的圍巖

2.2 巖體結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)陽江抽水蓄能電站主廠房開挖后的地質(zhì)資料，對主廠房出露的結(jié)構(gòu)面進行了統(tǒng)計。主廠房共揭露1條斷層，該斷層在頂拱及上下游邊墻均有出露。主廠房出露的裂隙共計326條，其中頂拱56條，上游邊墻152條，下游邊墻118條。就結(jié)構(gòu)面對地下洞室穩(wěn)定性的影響而言，一般來講，圍巖中發(fā)育的陡傾角結(jié)構(gòu)面對高邊墻的穩(wěn)定不利；而緩傾角結(jié)構(gòu)面對于大跨度的洞室頂拱穩(wěn)定非常不利。正是因為存在這種差別，針對洞室頂拱和高邊墻不同特點，在研究結(jié)構(gòu)面時關(guān)注的側(cè)重點有所不同。因此在分析主廠房巖體結(jié)構(gòu)特征時，應(yīng)針對主廠房不同部位進行分別統(tǒng)計分析。下面以主廠房上游側(cè)邊墻為例。

主廠房上游邊墻共揭露153條結(jié)構(gòu)面，包含1條斷層和152條裂隙，斷層與洞軸線夾角為47°，傾角80°，在上游邊墻出露長度44.83 m。圖3為主廠房上游邊墻出露裂隙的投影極點圖和走向玫瑰花圖。可以看出，投影極點的分布比較離散，相對的優(yōu)勢集中方位為NE/NW向的陡傾角裂隙、SN/E向的陡傾角裂隙，此外NW/NE和NW/SW向的陡傾角裂隙也較為發(fā)育。

(1) 對裂隙的走向與主廠房軸線夾角進行統(tǒng)計，結(jié)果表明：走向與洞軸線夾角大于40°的裂隙有73條，約占48%；走向與洞軸線夾角在20°～40°之間的裂隙有35條，約占23%；走向與洞軸線夾角小于20°的裂隙有44條，約占29%。可以發(fā)現(xiàn)，主廠房上游邊墻存在一部分裂隙與洞室軸線呈小角度相交。

(2)對裂隙的傾角進行統(tǒng)計，結(jié)果表明：傾角大于60°的裂隙有129條，約占84%；傾角在30°～60°之間的裂隙有14條，約占9%；傾角小于30°的裂隙有9條，約占6%。由此可見，主廠房上游邊墻的裂隙以陡傾角裂隙為主。

(3)對裂隙的延展長度進行統(tǒng)計，結(jié)果表明：延展長度大于30 m的裂隙有16條，約占11%；延展長度20 m～30 m的裂隙有26條，約占17%；延展長度10 m～20 m的裂隙有53條，占約35%；裂隙延展長度小于10 m為57條，占約37%。從裂隙的延展長度來看，主廠房上游邊墻延展長度大于10 m的裂隙為63%，以長大裂隙為主。

總體來看，對于主廠房上游邊墻，發(fā)育的裂隙以陡傾角長大的裂隙為主，超過一半裂隙走向與廠方軸線夾角小于40°，對高邊墻的穩(wěn)定存在一定的不利影響。另外，存在的不利的陡傾裂隙與斷層組合也會影響上游邊墻圍巖的局部穩(wěn)定。

圖3 主廠房上游邊墻出露裂隙產(chǎn)狀特征

3 定位塊體穩(wěn)定性分析

3.1 塊體搜索結(jié)果

對主廠房邊墻的不利結(jié)構(gòu)面組合進行了全空間赤平投影分析，上下游邊墻共存在13個塊體(BQ-1—BQ-13)，其中塊體BQ-1—BQ-12位于上游側(cè)邊墻，主要分布在上游邊墻廠橫0+100—廠橫0+130段巖壁吊車梁高程附近及廠橫0+007—廠橫0+030段巖壁吊車梁下部，塊體BQ-12—BQ-13位于下游側(cè)邊墻，分布在下游側(cè)邊墻0+025—廠橫0+035段。13個定位塊體的塊體方量不大，在0.95 m3～96.24 m3之間，塊體埋深在0.83 m～12.16 m之間。塊體的具體位置見圖4和圖5。

3.2 塊體穩(wěn)定性分析

根據(jù)每個塊體的失穩(wěn)模式、幾何形態(tài)及相應(yīng)結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)，計算塊體的安全系數(shù)。

圖4 主廠房上游邊墻塊體位置

圖5 主廠房下游邊墻塊體位置

對于單面滑動模式，塊體的安全系數(shù)為：

(1)

式中:fi為滑動面i的摩擦系數(shù);Ci為滑動面的黏聚力;Ai為滑動面面積；Ni為合力在滑動面上沿法向上的分量;Ti為合力在滑動面上沿滑動方向上的分量。

雙面滑動的塊體安全系數(shù)計算公式與單面滑動時類似，塊體的安全系數(shù)為：

(2)

式中：fi和fj分別為滑動面i和j的摩擦系數(shù);Ci和Cj分別為滑動面i和j的黏聚力;Ai和Aj分別為滑動面i和j面積;Ni和Nj分別為合力在滑動面i和j法向方向上的分量;T為塊體沿滑動面i和j交線方向上的滑動力，可按合力矢量分解及相應(yīng)平衡條件計算。

結(jié)構(gòu)面力學(xué)取值參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)表

主廠房邊墻處定位塊體穩(wěn)定性分析結(jié)果匯總見表2。邊墻處塊體的控制標準為其安全系數(shù)不小于1.5。當計算得到的無支護條件下的塊體安全系數(shù)小于以上控制標準時，視為關(guān)鍵塊體，對該塊體進一步計算達到允許最小安全系數(shù)所需的錨固力。由于部分塊體的埋深較淺(埋深<5 m)，結(jié)構(gòu)面受開挖爆破影響較大，故在塊體穩(wěn)定性分析中，計算了兩種工況下(考慮黏聚力和不考慮黏聚力)塊體的安全系數(shù)。在考慮滑面的黏聚力作用的情況下，13個定位塊體安全系數(shù)均滿足設(shè)計要求，在不考慮滑面的黏聚力作用的情況下，部分淺埋塊體安全系數(shù)不在滿足設(shè)計要求，且部分塊體的安全系數(shù)小于1，但塊體方量較小，考慮一定的支護措施后，可保證塊體的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

塊體理論是一種可以解決水利水電工程地下洞室頂拱或邊墻局部穩(wěn)定性的有效方法。本文基于塊體理論介紹了地下洞室施工期定位塊體穩(wěn)定性分析的基本思路，并應(yīng)用于陽江抽水蓄能電站地下廠房洞室群施工期局部圍巖穩(wěn)定性分析中。主要結(jié)論為：

(1) 從開挖揭露的地質(zhì)條件來看，陽江抽水蓄能地下廠房一個顯著特點是陡傾裂隙相對發(fā)育、緩傾角裂隙不發(fā)育，但存在少部分裂隙走向與洞軸線呈小角度相交，對邊墻穩(wěn)定相對不利。

(2) 雖然陽江抽水蓄能電站地下廠房區(qū)域結(jié)構(gòu)面發(fā)育，但能夠完全切割圍巖形成不穩(wěn)定塊體的不利結(jié)構(gòu)面組合不多。在主廠房邊墻共搜索到13個定位塊體，部分塊體的埋深較淺，結(jié)構(gòu)面受開挖爆破影響較大，不考慮黏聚力條件下的塊體安全系數(shù)不滿足安全控制標準，但塊體方量較小，考慮一定的支護措施后，可保證塊體的穩(wěn)定性。

表2 塊體穩(wěn)定性計算結(jié)果