朱望初

(中南勘測設(shè)計研究院,湖南長沙 410014)

埃塞俄比亞GD-3水電站地下廠房圍巖楔體穩(wěn)定性與支護計算

朱望初

(中南勘測設(shè)計研究院,湖南長沙 410014)

GD-3水電站為長引水式電站,廠房采用地下式。本電站為EPC總承包項目,美國美華美大公司(MWH)擔任業(yè)主代表,負責對所有設(shè)計文件的審批。本報告采用的計算方法和參數(shù)都采用國際通用標準。根據(jù)已有的地質(zhì)資料和相關(guān)試驗參數(shù),對對地下廠房可能存在的楔形體的穩(wěn)定性進行計算,并通過計算對可能存在的不穩(wěn)定塊體提出支護建議,為廠房的支護設(shè)計提供參考。

圍巖 軟弱結(jié)構(gòu)面 楔形體 穩(wěn)定系數(shù) 支護

1 工程簡介

GD-3水電站位于埃塞俄比亞南部，電站裝機規(guī)模254MW。大壩為混凝土面板堆石壩，壩高110m，發(fā)電水頭280m，輸水線路長約15km。廠房形式為地下式，廠區(qū)洞室群主要包括地下廠房和主變室等，其中地下廠房跨度為94m×25m×52m(長×寬×高)。

2 基本地質(zhì)條件

地下廠房為太古代地層，巖性主要為片巖夾少量偉晶巖。沒有影響洞室整體穩(wěn)定的大斷層和蝕變帶。片巖層理產(chǎn)狀：290°～350°/SW∠40°～70°。有以下幾組優(yōu)勢節(jié)理面：(1)305°/NE∠80°～85°；(2)330°～335°/NE∠75°～80°；(3)285°～290°/SW、NE∠75°～90°。圍巖完整性好，平均RQD75%～90%。巖體質(zhì)量指標(RMR)大多為66～74，主要為Ⅱ類圍巖；節(jié)理裂隙較發(fā)育的部位，RMR為40～60，為Ⅲ類圍巖；但不排除存在Ⅳ類圍巖的可能。本洞室主要位于工程新鮮巖體，巖石和結(jié)構(gòu)面地質(zhì)參數(shù)見表見表2-1。

3 分析與研究內(nèi)容

3.1 計算分析目的

根據(jù)已有資料，對主廠房頂拱、側(cè)墻和邊墻存在的潛在楔形體進行穩(wěn)定性計算和研究，以達到以下目的：(1)為工程施工地質(zhì)巡視、判斷和超前預(yù)報各局部穩(wěn)定提供參考理論依據(jù)，對洞室圍巖穩(wěn)定性作出初步評價。(2)對結(jié)構(gòu)面組合的楔形塊體通過計算分析，評價其穩(wěn)定性。(3)對地下廠房提出有針對性的建議支護措施，確保地下洞室群的施工安全和圍巖的穩(wěn)定。

3.2 計算分析內(nèi)容

本工程采用Unwedge3.0和Dips程序進行計算，綜合分析研究各地下洞室頂拱和側(cè)壁的楔形體的穩(wěn)定，進行洞室群圍巖穩(wěn)定性分析評價并計算所需提供的支護參數(shù)。

(1)計算方法的選擇：目前地下洞室圍巖塊體穩(wěn)定性分析軟件雖然較多，但應(yīng)用較為廣泛的為加拿大Toronto大學(xué)E.Hoek等依據(jù)石根華塊體理論研制開發(fā)的UNWEDGE分析軟件，因此本工程借助于該軟件對地下洞室群圍巖結(jié)構(gòu)面組合的楔形塊體穩(wěn)定性進行計算分析。(2)計算假定條件：Unwedge軟件適用于分析在堅硬的巖石施工開挖圍巖楔形體失穩(wěn)，但不會發(fā)生洞室圍巖的整體失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)面組合切割形成的楔形塊體為四面體。如果分析區(qū)域有三組以上結(jié)構(gòu)面，本計算軟件將考慮其中三組結(jié)構(gòu)面的組合。不考慮地應(yīng)力和地下水的作用。假設(shè)構(gòu)成楔形體為剛體。組成楔形體的結(jié)構(gòu)面貫穿研究區(qū)域，長度大于楔形體，且在保持產(chǎn)狀不變的情況下可任意移動；因此，構(gòu)成楔形體的結(jié)構(gòu)面不會終止楔形體內(nèi)。沒有其它結(jié)構(gòu)面影響楔形體的變形失穩(wěn)。認為這些結(jié)構(gòu)面是普遍存在的，他們可以隨機的出現(xiàn)在圍巖巖體中的任何位置。假定地下洞室開挖斷面沿其軸線為等截面。

表2-1 廠房主要地質(zhì)參數(shù)建議值

4 地下洞室群圍巖塊體穩(wěn)定性計算

本次對地下廠房圍巖塊體穩(wěn)定性分析所運用到的軟件為Unwedge3.0程序。Unwedge(3.0)程序是一款簡易的交互式塊體穩(wěn)定分析軟件，能對圍巖塊體穩(wěn)定進行定量分析。

洞室圍巖塊體穩(wěn)定性分析：

廠區(qū)巖性主要為片巖，片理產(chǎn)狀：290°～350°/SW∠40°～70°。大部分沿層理結(jié)合緊密，部分沿層面相對較弱，存在云母夾層密集現(xiàn)象，局部潮濕。廠房頂拱中導(dǎo)洞內(nèi)主要4處，都位于廠房西半部。(1)LF1：330°/SW∠45°；(2)LF2：350°/SW∠45°；(3)LF3：30°/SW∠50°；(4)LF3：320°/SW∠50°。根據(jù)主廠房中導(dǎo)洞和周邊洞室揭露的片理產(chǎn)狀，在進行楔體計算時，層間弱面的產(chǎn)狀?、伲?30°/SW∠50°，②：350°/SW∠45°。對已完成的廠區(qū)各洞室內(nèi)進行了節(jié)理統(tǒng)計，使用Dips軟件搜索，見廠區(qū)節(jié)理等密圖(圖1)、節(jié)理玫瑰圖(圖2)和赤平投影圖(圖3)。通過節(jié)理統(tǒng)計圖分析，廠區(qū)主要為以下3組優(yōu)勢節(jié)理：③：315°/NE∠80°；④：295°/SW∠75°；⑤：305°/NE∠70°。

利用UNWEDGE軟件計算時，不考慮層面的延伸相交。因此，主要考慮三條節(jié)理的組合及二條節(jié)理與較弱的層面的隨機組合，分以下7種組合情況對洞室圍巖進行楔體穩(wěn)定性計算。第1種：①、③和④的組合；第2種：①、④和⑤的組合；第3種：①、③和⑤的組合；第4種：②、③和④的組合；第5種：②、④和⑤的組合；第6種：②、③和⑤的組合；第7種：③、④和⑤的組合；計算時考慮結(jié)構(gòu)面連通率為100%。各種軟弱面組合情況下，使用Unwedge3.0軟件對廠房的頂拱和邊墻部位進行搜索。

(1)考慮所有組成楔形體的三組相對軟弱面都貫穿整個洞室，計算得出主廠房潛在的不穩(wěn)定楔形體見表4-1。

表4-1 主廠房潛在不穩(wěn)定楔形體統(tǒng)計表

(2)由于在施工過程中爆破松動影響。因此假定結(jié)構(gòu)面延伸長度為5m，此時，取粘聚力c’=0，對洞室圍巖進行楔體穩(wěn)定性計算，主廠房潛在的不穩(wěn)定塊體見表4-2。

計算表明：當不考慮爆破松動的影響時，潛在不穩(wěn)定塊體均位于主廠房頂拱，為直接塌落型式。假定楔形體貫穿洞室，潛在不穩(wěn)定塊體最大體積155.2m3，塊體最大高度7.14m?？紤]爆破松動影響，結(jié)構(gòu)面延伸長度為5m時，軟弱結(jié)構(gòu)面的粘聚力c’=0時，在洞室的頂拱和側(cè)墻均可能存在不穩(wěn)定塊體，體積均較小，最大體積8.34m3，最大高度為3.36m。在頂拱的破壞方式為直接塌落，在側(cè)墻主要為沿結(jié)構(gòu)面單滑或雙滑。

表4-2 主廠房潛在不穩(wěn)定楔形體統(tǒng)計表(結(jié)構(gòu)面延伸長度5m c’=0)

表5-1 潛在不穩(wěn)定楔形體錨桿支護參數(shù)表(假定結(jié)構(gòu)面全貫通)

表5-2 主廠房不穩(wěn)定楔形體錨桿支護參數(shù)表(結(jié)構(gòu)面長度5m,c’=0)

圖1 節(jié)理等密圖

圖2 節(jié)理玫瑰圖

圖3 赤平投影圖

圖4 楔形體錨桿示意圖

5 支護計算

(1)不考慮爆破松動的影響，對組成楔形體的結(jié)構(gòu)面貫穿整個洞室且100%連通時，對所搜索的潛在不穩(wěn)定楔形體分別進行支護計算。計算時，按普通的注漿錨桿考慮，(grouted dowelφ28：Tensile capacity 25t；Plate capacity 10t；bond strength 35t/m)。計算過程中，錨桿的布置位置及錨桿與洞壁的角度對支護效果均有一定的影響，本次計算假設(shè)錨桿與洞壁垂直(見圖4楔形體錨桿示意圖)，計算結(jié)果見表5-1。

(2)考慮開挖過程中爆破松動的影響，當假定結(jié)構(gòu)面延伸長度為5m，取粘聚力c’=0時，對所搜索到的體積大于1m3的潛在不穩(wěn)定塊體進行支護計算，計算時，按普通的注漿錨桿考慮。廠房潛在不穩(wěn)定體支護參數(shù)見表5-2。

計算表明：假設(shè)結(jié)構(gòu)面在洞室開挖范圍內(nèi)全貫通且100%連通時，會存在較大的潛在不穩(wěn)定楔形體，要使其達到2.0以上的穩(wěn)定性系數(shù)要求，需要加強支護，錨桿最大長度需要達到9m，間距需達到1.0m×1.5m。根據(jù)已開挖的洞室所揭露的本工程的地質(zhì)條件顯示，這種可能性極小?？紤]爆破對洞室一定范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)面的影響而造成其粘聚力變小(L=5m，c’＝0)。針對這種情況進行支護計算，主廠房采用φ28錨桿(L=6m，間排距1.8m×1.8m)支護，能滿足廠區(qū)主要洞室群潛在不穩(wěn)定楔形體的支護要求。

6 結(jié)語

影響圍巖塊體穩(wěn)定性的因素較多。本次計算根據(jù)廠房7種軟弱結(jié)構(gòu)面組合計算，各洞室還有其它產(chǎn)狀的相對軟弱面形成不穩(wěn)定的楔形體。通過對主廠房的楔形體穩(wěn)定性和支護進行計算分析，了解其主要出露位置和破壞形式，為廠房的系統(tǒng)支護提供參考，并不作為地下廠房支護設(shè)計的依據(jù)。在主廠房開挖過程中需針將實際存在的不穩(wěn)定楔形體清除或及時支護，以確保洞室的安全。