婁國川，齊三紅，楊風威，姚 陽

（黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，鄭州 450003）

0 引言

塊體是由多組結構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，也取決于結構面的發(fā)育形態(tài)、結構面與洞室方位的關系、塊體形狀及有無臨空條件等［1～3］。在力的作用下，處于極限平衡、需要支護才能滿足穩(wěn)定要求的塊體稱為關鍵塊體，關鍵塊體一旦失穩(wěn)，有可能產生連鎖反應，造成整個巖體的失穩(wěn)［4～8］。 因此，塊體剪切滑移是洞室圍巖破壞的一種形式。在地下洞室開挖過程中，應對開挖揭露的各種結構面進行認真調查分析，對洞室內可能出露的楔形體進行預測，對實際揭露的楔形體穩(wěn)定性進行評價，并根據評價結果提供合理的支護處理措施。

UNWEDGE程序是加拿大多倫多大學E．Hock等人根據塊體理論（石根華等人提出）開發(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。該程序具有操作簡單、界面友好、適用性強等優(yōu)點，被廣泛應用在地下工程塊體穩(wěn)定性分析中［9～11］。本文運用UNWEDGE程序，對在建科卡科多辛克雷（COCA CODO SINCLAIR，簡稱 CCS）水電站主廠房和主變室開挖揭露的不穩(wěn)定塊體進行分析，并提出科學的支護處理建議。

1 CCS水電站工程概況及地下廠房的地質條件

1．1 工程概況

CCS水電站位于厄瓜多爾南部Napo省和Sucumbios省境內的COCA河下游，總裝機容量為1 500 MW （由8臺單機容量為187．5 MW的沖擊式機組成）。廠房洞室群由主廠房、主變電室、輸電母線洞、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洞型，走向315°，尺寸分別為 212．8 m×27．5 m×50．0 m （長×寬×高）及192．0 m×17．0 m×32．5 m（長×寬×高），垂直埋深 150～300 m。

1．2 地下廠房的地質條件［12］

廠房區(qū)屬于Sinclair構造帶，構造相對簡單，區(qū)域內沒有大規(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，巖體結構以塊狀為主。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。對廠房區(qū)發(fā)育的結構面進行統(tǒng)計分析，Misahualli地層主要發(fā)育3組優(yōu)勢結構面（如圖 1 所示）：①50°～80°／SE∠70°～85°（走向／傾向∠傾角），平直粗糙，整體閉合無充填，局部鈣膜充填，延伸較長，平均 0．5～1 條／m。 ②320°～350°／SW∠70°～80°，平直粗糙，泥質條帶或方解石脈充填，寬度2～3 mm，局部1cm，少數高嶺土化，延伸長度大于 10m。③310°～320°／NE∠5°～15°，結構面零星發(fā)育，數量少，延伸長，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

經典塊體理論將結構面與臨空面相互切割形成的塊體分為如圖2所示的幾種塊體類型。工作過程中，要對結構面與臨空面相互切割形成的塊體進行搜索分析，查找出處于極限穩(wěn)定狀態(tài)的關鍵塊體，并對其進行穩(wěn)定性計算和采取支護措施［13］。

圖1 CCS水電站地下廠房節(jié)理裂隙統(tǒng)計圖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、地應力、地震力等功能，其工作思路主要為：以地下洞室開挖的形狀和尺寸為幾何模型，在軟件中輸入3組典型結構面，并結合開挖臨空面作為四面體的邊界條件。以各組結構面的力學參數為介質條件，自動搜索出結構面在洞室各個部位切割形成的最大塊體，并計算出各個塊體的體積、重量和塊體穩(wěn)定性［9～11］。 軟件中，可以根據工程現場地質調查的塊體規(guī)模，對系統(tǒng)默認的最不利塊體組合進行規(guī)模限制，使得結構面組合到的塊體與實際揭露的塊體更加符合，增加塊體分析的真實性、合理性，并科學地指導設計施工。

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。洞室開挖之后，不穩(wěn)定塊體臨空條件較好。為了避免施工過程中發(fā)生塊體滑移等圍巖失穩(wěn)現象，在前期場區(qū)出露優(yōu)勢結構面統(tǒng)計分析基礎上，運用UNWEDGE程序對不穩(wěn)定塊體進行搜索，并對其穩(wěn)定性進行分析。在分析計算過程中，采用的結構面的參數為：節(jié)理 J的內摩擦角為 29°，內聚力為 0．05 MPa；斷層 f的內摩擦角為22°，內聚力為0．1 MPa。楔形體搜索分析結果如圖3和表1所示。

由表1可知：在主廠房和主變電室開挖過程中，受結構面切割，下游邊墻（塊體2）和上游側頂拱（塊體8）很有可能發(fā)生塊體失穩(wěn)現象，應對這3組結構面進行編錄與分析，并根據其延伸長度和出露位置，及時做出相應的地質預報，以此來指導加固工程的施工。

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)定塊體及其支護有效性分析

經典塊體理論假設結構面是平直且無限延伸的，UNWEDGE程序自動搜索出來的塊體為各組結構面與洞室形成的最大規(guī)模的三角體，而實際工作過程中，結構面的延伸長度有限，開挖揭露的塊體規(guī)模較小。因此，對實際揭露的不穩(wěn)定塊體進行穩(wěn)定性分析時，應根據結構面的延伸長度對塊體規(guī)模進行限制。

CCS水電站地下廠房的主廠房和主變電室開挖過程中，在下游邊墻均出現一處塊體，根據出露塊體的規(guī)模，運用UNWEDGE程序對塊體支護前后的穩(wěn)定性進行了分析，具體如圖4～圖5和表2所示。分析計算過程中，采用的結構面的參數同上述，地震加速度為0．3 g，采用的支護參數為：φ25的錨桿抗拉強度為137 kN、φ28的為172 kN，錨桿黏結強度為2．5 MPa，混凝土單位體積質量為 2．60 kg／m3，混凝土剪切強度為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的分析結果可知，塊體CM-W1和CTW1在支護之前安全系數均小于1，處于失穩(wěn)狀態(tài)。經過支護以后，自然工況下，安全系數均大于2；地震工況下，安全系數均大于1.5，滿足穩(wěn)定性要求。鑒于此，施工過程中，建議施工方采用了“小藥量、多循環(huán)、強支護”方法，對開挖揭露出來的塊體及時進行支護，支護完成之后，再進行下一循環(huán)的開挖，成功避免了塊體失穩(wěn)帶來的危害。

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

3 結語

UNWEDGE程序是在塊體理論的基礎上開發(fā)的針對地下洞室塊體穩(wěn)定性分析的專業(yè)軟件，軟件操作簡單、功能強大。在CCS水電站建設過程中，UNWEDGE程序得到成功運用，并很好地指導設計施工。

UNWEDGE程序默認的是由3組結構面和開挖臨空面組合而成的四面體塊體，結構面無限延伸，組合成的為最大不利塊體。但在實際工作中，塊體的組合形式多樣，且節(jié)理延伸長度有限。因此，需要地質工程師對結構面的延伸長度、空間位置和規(guī)模性狀進行詳細調查分析，在此基礎上才能進行更符合實際的塊體穩(wěn)定性分析工作。

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

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

［3］ 劉豐收，崔志芳，王學朝，等．實用巖石工程技術［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］．計算機工程與應用，2010，46（21）:4-8．

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

［7］陳孝相，夏才初等．基于關鍵塊體理論的隧道分部施工時空效應［J］．長安大學學報:自然科學版，2011（3）:57-62．

［8］曾憲營，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程序在地下洞室開挖支護中的應用 ［J］．水電站設計，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．