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        水電站地下洞室塊體穩(wěn)定性研究

        2013-07-05 05:27:54陳嘉國(guó)陳貴文
        關(guān)鍵詞:洞室塊體滑動(dòng)

        陳嘉國(guó) 陳貴文

        【摘 要】目前,由于我國(guó)近些年水電工程施工數(shù)量較多,很多工程環(huán)境各不相同,因而影響水電站地下洞室安全的因素也逐漸的增大,其中塊狀的穩(wěn)定性是影響水電站地下洞室安全的主要因素。所以,在進(jìn)行地下洞室開挖時(shí),對(duì)于地下洞室的整體穩(wěn)定性研究是十分重要的,本文通過對(duì)地下洞室和巖體應(yīng)力變化的主要內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析,對(duì)地下洞室塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行了一定的研究。

        【關(guān)鍵詞】水電站;地下洞室;巖體應(yīng)力;塊體;穩(wěn)定性

        在水利工程中,地下洞室的開挖有著十分重要的意義,它的安全問題直接關(guān)注到整個(gè)水利工程的質(zhì)量,因此在進(jìn)行地下洞室開挖的時(shí)候,我們必須要保證對(duì)地下洞室的各個(gè)工程環(huán)境因素進(jìn)行勘察,確保地下洞室的安全性得到保障,這樣也有利于我國(guó)水利工程的發(fā)展。其中巖塊的穩(wěn)定性是影響水利工程地下洞室安全的重要因素,而巖體的穩(wěn)定性和地下洞室?guī)r體的應(yīng)力變化有關(guān),因此我們進(jìn)行分析討論的時(shí)候,一定要對(duì)其地下洞室的巖體應(yīng)力進(jìn)行一定程度的分析。下面我們就以實(shí)際案例為例來對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的分析和處理。

        1.地下洞室的概述

        地下洞室泛指于在地表以下巖土體中修建的各種形式和用途的建筑。地下洞室是巖土工程中的重要組成部分,廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、交通、采礦、水利水電、國(guó)防等部門,如作為地下工廠、交通隧道、礦山巷道、水電站地下廠房、地下商場(chǎng)、儲(chǔ)備倉(cāng)庫、地下防空洞等等。

        地下洞室的共同特點(diǎn)是:都建設(shè)在地下巖土體內(nèi),具有一定斷面形狀和尺寸,并有較大延伸長(zhǎng)度。地下洞室的斷面形狀一般有曲線型、折線型和兩者的組合型。地下洞室斷面形狀的選擇,應(yīng)考慮洞室的用途和服務(wù)年限、洞室的圍巖性質(zhì)、巖土體地應(yīng)力的分布特征;洞室的支護(hù)或襯砌方式和材料等因素綜合確定。一般地來講,曲線型洞室(圓形、橢圓形和馬蹄形等)的穩(wěn)定性較好,對(duì)周圍巖土體的穩(wěn)定有利。折線型洞室(矩形、方形和梯形等)的斷面利用率高、施工方便、開挖工藝簡(jiǎn)單。洞室的尺寸主要取決于洞室的用途,一般性隧道高(或?qū)挘┰? m-5m,有些可達(dá)20m以上,而地下廠房的斷面則要大得多,一般高度可達(dá)60m-70m,寬度在20m-35m之間。洞室可分為過水的和不過水的(如交通隧洞)兩大類。

        洞室周圍的巖土體通稱圍巖。狹義上,圍巖常指洞室周圍受到開挖影響,大體相當(dāng)?shù)叵露词覍挾然蚱骄睆?倍左右范圍內(nèi)的巖土體。由于初始地應(yīng)力的存在,洞室開挖勢(shì)必打破原來巖(土)體的自然平衡狀態(tài),引起洞室周圍一定范圍內(nèi)的巖(土)體應(yīng)力重新分布,有的圍巖的強(qiáng)度能夠適應(yīng)變化后的應(yīng)力狀態(tài),可不采取任何人力措施,便能保持洞室穩(wěn)定;但有時(shí)因圍巖強(qiáng)度低,或其中應(yīng)力狀態(tài)的變化大,以致圍巖不能適應(yīng)變化后的應(yīng)使巖土體產(chǎn)生變形、位移,甚至破壞,若不加固或加固而未保證質(zhì)量,都會(huì)引起破壞事故,對(duì)施工、運(yùn)營(yíng)造成危害。工程中將洞室開挖后周圍發(fā)生應(yīng)力重新分布的巖(土)體稱為圍巖。

        地下洞室突出的工程地質(zhì)問題是圍巖穩(wěn)定問題。尤其象地下飛機(jī)庫、大跨度引水隧洞和水電站地下廠房等大型洞室的因巖穩(wěn)定性,常常是工程地質(zhì)研究的重點(diǎn);礦山采空區(qū)常出現(xiàn)獨(dú)特的工程地質(zhì)現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外建筑史上因洞室圍巖失穩(wěn)而造成的事故,為數(shù)不少。如澳大利亞悉尼輸水壓力隧洞,混凝土襯砌。使用期間在300m長(zhǎng)的地段上,發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)有壓水大量滲入圍巖而達(dá)地表。放空檢修發(fā)現(xiàn)在100m的內(nèi)水水頭作用下,襯砌被破壞,洞頂圍巖被掀起,出現(xiàn)裂縫,錯(cuò)開距離多達(dá)1.0-2.0cm。

        2.塊體理論

        巖體的穩(wěn)定性的分析方法有很多種,塊體理論就是其中的一種,并且由于這種理論對(duì)巖體結(jié)構(gòu)和力學(xué)指標(biāo),都有著比較系統(tǒng)的分析,因此目前在水電站的地下工程中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)在進(jìn)行地下洞室開挖時(shí),對(duì)已知的巖體結(jié)構(gòu)和工程作用力進(jìn)行一定的分析處理,而且將洞室四周和洞室頂部不穩(wěn)定巖塊的應(yīng)力,作為工程處理的依據(jù),并且對(duì)其進(jìn)行逐步的開展了一系列的穩(wěn)定研究。而且據(jù)地下洞室?guī)r體的相關(guān)規(guī)律,我們可以了解到當(dāng)?shù)叵露词規(guī)r體的徑向應(yīng)力開始減少時(shí),切向應(yīng)力也開始在增大,而局部的應(yīng)力也開始的集中,因此我們可以將地下洞室的巖體穩(wěn)定性,看成一種穩(wěn)定的變量,當(dāng)其中的一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題的時(shí)候巖體的穩(wěn)定性也會(huì)發(fā)生變化。因此,在運(yùn)用塊體理論對(duì)地下洞室的塊體的應(yīng)力進(jìn)行分析的時(shí)候,我們主要從塊體的穩(wěn)定性和活動(dòng)性進(jìn)行分析處理。

        2.1塊體的穩(wěn)定性

        在進(jìn)行塊體穩(wěn)定性進(jìn)行研究的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)影響塊體的穩(wěn)定性的因素有很多,其中做主要的因素就是塊體的中存在的靜滑力,而對(duì)巖塊靜滑力的變化的因素主要包括主動(dòng)力合力、作用于歡動(dòng)的法相反作用力和滑動(dòng)面上的切向摩阻力合力等各方面因素,因此在對(duì)塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候,我們就通過這些方面的因素,進(jìn)行計(jì)算研究,當(dāng)計(jì)算結(jié)果為正值的時(shí)候,這塊體的穩(wěn)定性就存在著不足,而為負(fù)值的時(shí)候你就表面滑動(dòng)面上的應(yīng)力小于摩擦阻力,因此地下洞室就處于一個(gè)平衡的狀態(tài)。

        2.2塊體的活動(dòng)性

        由于地殼在進(jìn)行不同的運(yùn)動(dòng),水電站的地下洞室的塊體就具有一定的活動(dòng)性。目前,在地下洞室塊體的運(yùn)動(dòng)中,主要存在著三種不同的活動(dòng)方式,它們分別是直接掉落的方式、沿單面滑面滑動(dòng)的方式和沿雙滑面滑動(dòng)的方式。直接掉落的十分主要是和塊體的運(yùn)動(dòng)方向,當(dāng)主動(dòng)力的合力方向和可動(dòng)巖塊的運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí),塊體就會(huì)出現(xiàn)直接掉落的現(xiàn)象;沿單滑面滑動(dòng)則是指塊體的運(yùn)動(dòng)方向和某一結(jié)構(gòu)面平行作用而產(chǎn)生滑落的現(xiàn)象,這主要使得和主動(dòng)合力在某一平面的投射方向有關(guān)。而雙向滑面滑動(dòng)則和單向滑動(dòng)的原理有著類似的關(guān)系,但是由于塊體的作用面和主動(dòng)合力的投射方向不同,而進(jìn)行雙面的滑動(dòng)。

        3.某地下洞室開挖圍巖應(yīng)力場(chǎng)的演化

        某水電站地下洞室開挖前,地層處于彈性狀態(tài),在開挖初期,圍巖應(yīng)力場(chǎng)相比于最初的應(yīng)力場(chǎng)變化不大,構(gòu)造應(yīng)力較高,洞室內(nèi)可動(dòng)塊體基本處于極限布的演化,主廠房?jī)?nèi)層的巖體由于應(yīng)力釋放形成松動(dòng)圈,這種圍巖條件,塊體賦存的應(yīng)力環(huán)境發(fā)生了改變,在沒有支護(hù)和襯砌等加固措施時(shí),這些可動(dòng)塊體只受自身重力和結(jié)構(gòu)面摩擦力、粘聚力的作用,穩(wěn)定性降低,部分塊體穩(wěn)定性會(huì)降低到臨界狀態(tài)之下發(fā)生破壞。

        4.某地下洞室塊體穩(wěn)定性分析

        某水電站地下洞室主軸方向?yàn)镹E25。長(zhǎng)297m,寬30-m,高57.1 m。地應(yīng)力大小為21~23MPa,SN方向13-14 MPa,豎直方向79 MPa,WE方向。根據(jù)塊體理論,依據(jù)地下洞室編錄圖對(duì)洞室進(jìn)行塊體穩(wěn)定性分析,得到的兩種應(yīng)力狀態(tài)下關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性見表1。計(jì)算表明,在不考慮圍巖應(yīng)力場(chǎng)作用時(shí),地下洞室分布的8個(gè)可動(dòng)塊體穩(wěn)定性均有不同程度的降低,并且塊體開始運(yùn)動(dòng)后滑移方向發(fā)生改變。其中11、86、87號(hào)塊體由原來的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化到不穩(wěn)定狀態(tài),40號(hào)塊體穩(wěn)定性降低到0,直接掉落。在地下洞室開挖初期塊體穩(wěn)定性系數(shù)較大,隨著時(shí)間的推移,滑動(dòng)方式發(fā)生改變,穩(wěn)定性降低,甚至發(fā)生破壞,表明塊體穩(wěn)定性不是~成不變的,而是隨圍巖應(yīng)力演化狀態(tài)變化的過程而改變。

        5.結(jié)論

        由此樂見,在進(jìn)行地下洞室開挖前,整個(gè)洞室的圍巖都是處于應(yīng)力調(diào)整的階段,而且各種彈性應(yīng)力都還沒有進(jìn)行完全的釋放,因此要從巖體的整體性的各方面的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,然后在施工開挖過程中進(jìn)行應(yīng)力的提供,以免在施工工程中對(duì)洞室?guī)r體的穩(wěn)定性進(jìn)破壞從而導(dǎo)致,整個(gè)建筑工程都受到影響。所以,為了保障水利工程中各個(gè)項(xiàng)目都能正常運(yùn)行,我們就要對(duì)水利工程的地下洞室的穩(wěn)定性進(jìn)行合理的研究,從而保證地下洞室的安全。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]李素梅.塊體理論在巖石路塹邊坡穩(wěn)定分析中的運(yùn)用[J].云南交通科技,2003(04).

        [2]許傳華,任青文,李瑞.地下工程圍巖穩(wěn)定性分析方法研究進(jìn)展[J].金屬礦山,2003(02).

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