陳 秀 蕓

(萊西市大沽河管理所，山東 青島 266000)

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·水利工程·

Unwedge程序在水利工程塊體穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

陳 秀 蕓

(萊西市大沽河管理所，山東 青島 266000)

結(jié)合楊房溝水利工程地下廠房洞室群結(jié)構(gòu)面及優(yōu)勢(shì)節(jié)理展布特征，并利用Unwedge軟件，對(duì)地下廠房的巖體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，Unwedge在潛在失穩(wěn)塊體的分析中具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

Unwedge，塊體理論，巖石穩(wěn)定分析

0 引言

在開(kāi)挖地下洞室的過(guò)程中，形成的臨空面有可能導(dǎo)致某些巖體喪失原有的穩(wěn)定，使之沿著結(jié)構(gòu)面掉落或滑落，嚴(yán)重的會(huì)引起整個(gè)洞室?guī)r體的坍塌。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)，在洞室開(kāi)挖工程中最主要失穩(wěn)模式為巖石塊體的失穩(wěn)。故在工程中掌握洞室?guī)r體的失穩(wěn)形式、主要的巖石塊體的結(jié)構(gòu)形式、不利的巖體組合等是很有必要的，掌握這項(xiàng)有助于我們確定采用何種支護(hù)形式，使采用的支護(hù)措施最有針對(duì)性也最有效[1]。

一般我們會(huì)先研究洞室?guī)r體失穩(wěn)的影響因素和失穩(wěn)模式[2]，以便于確定在開(kāi)挖過(guò)程中的合理有效的支護(hù)形式。Unwedge是在塊體理論的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的用于塊體穩(wěn)定分析的程序。并作如下假定：塊體是由結(jié)構(gòu)面在巖體進(jìn)行切割而成的空間四面體，其4個(gè)面為 開(kāi)挖臨空面和3組在巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面；忽視地應(yīng)力的影響，單單考慮結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)并研究塊體在重力作用下的穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)體為剛體，巖體的變形僅發(fā)生在結(jié)構(gòu)面的平面上且假設(shè)結(jié)構(gòu)面表面為平面；研究區(qū)域被結(jié)構(gòu)面所貫穿，且結(jié)構(gòu)面在保持產(chǎn)狀不變的情況下，能夠在研究區(qū)域內(nèi)任意移動(dòng)；洞體開(kāi)挖斷面的軸徑方向始終不變；每次分析中最多只有3組結(jié)構(gòu)面參與組合。該程序適用于在各類(lèi)較堅(jiān)硬的裂隙巖體的工程開(kāi)挖中的巖體穩(wěn)定分析，程序分析時(shí)會(huì)自動(dòng)根據(jù)輸入的參數(shù)生成最大可能的楔形塊體，同時(shí)計(jì)算出該楔形塊體的安全系數(shù)[4]。用戶(hù)對(duì)所形成的塊體進(jìn)行篩選和進(jìn)一步的分析時(shí)可根據(jù)結(jié)構(gòu)面的實(shí)際出露情況進(jìn)行，以評(píng)價(jià)圍巖的穩(wěn)定性及洞室的合理走向。該程序采用安全系數(shù)F.S(The factor of safety)來(lái)表征塊體穩(wěn)定性。同時(shí)軟件建議的安全系數(shù)應(yīng)大于1.5～2.0，1.5為臨時(shí)的洞體安全系數(shù)推薦值，2.0為永久洞體的推薦值。安全系數(shù)F.S，由式(1)計(jì)算得出：

(1)

本文要討論的楊房溝水利工程是規(guī)劃中的位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上的第6級(jí)水電站。庫(kù)容為5.124 8億m3，為一等大(1)型等級(jí)重大工程。壩體采用最大壩高為155 m的混凝土雙曲拱壩。其地下廠房布置在左岸山體內(nèi)，距離進(jìn)水口150 m左右，廠房縱軸線(xiàn)方位為N5°E，引水隧洞高壓管道的軸線(xiàn)與之垂直。該水利工程安裝4臺(tái)容量為375 MW的發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 500 MW。廠區(qū)建筑物由三大洞室(主變洞、尾水調(diào)壓室、主副廠房洞)及輔助洞室組成。其中主副廠房洞室長(zhǎng)×寬×高的尺寸分別為228.5 m×30 m×75.57 m，布置4個(gè)機(jī)組段，機(jī)組之間的間距為32.0 m。地下廠房分布著由斷層、巖脈、擠壓破碎帶、節(jié)理裂隙引起的不穩(wěn)定塊體。具體形式為失穩(wěn)塊體的掉落和滑落,以及在開(kāi)挖過(guò)程中不多的輕微巖爆現(xiàn)象。

本文結(jié)合已有的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察，通過(guò)Unwedge(3.0)程序?qū)Φ叵聫S房可能存在的失穩(wěn)塊體以及所在位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，評(píng)價(jià)洞室內(nèi)各不穩(wěn)定塊體的穩(wěn)定性。為下一步的開(kāi)挖支護(hù)提供預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

1 廠房洞室群結(jié)構(gòu)面及優(yōu)勢(shì)節(jié)理展布特征

根據(jù)楊房溝地質(zhì)報(bào)告的統(tǒng)計(jì)，廠房洞室群發(fā)育13條Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面，其中10條通過(guò)廠房開(kāi)挖區(qū)域。此外，洞室發(fā)育著3組主要優(yōu)勢(shì)節(jié)理。廠區(qū)3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理以中等傾角和陡傾角為主，優(yōu)勢(shì)節(jié)理面一般為新鮮或無(wú)充填型。有5條Ⅳ結(jié)構(gòu)面分布在主廠房所在區(qū)域。分別為f47-17，f47-18，f47-22，f47-23和f47-25，這5條Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面總體上與廠房軸線(xiàn)大角度相交。3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理與該5條Ⅳ結(jié)構(gòu)面的赤平投影如圖1所示。主要的Ⅳ結(jié)構(gòu)面和優(yōu)勢(shì)節(jié)理的產(chǎn)狀、寬度及巖石特性如表1所示[5]。

表1 廠房洞室群區(qū)域的Ⅳ結(jié)構(gòu)面與優(yōu)勢(shì)節(jié)理統(tǒng)計(jì)

編號(hào)產(chǎn)狀寬度/cm特性f47-17N40°E;SE∠75°～80°2～8帶內(nèi)為蝕變巖、碎塊巖,呈強(qiáng)風(fēng)化狀,面平直光滑f47-18N60°W;NE∠55°～60°3～5帶內(nèi)為蝕變巖、碎塊巖、巖屑,面起伏光滑f47-22N40°W;SW∠60°10～15帶內(nèi)為碎塊巖、巖屑、石英,弱風(fēng)化狀,面平直粗糙f47-23N45°W;NE∠75°3～5帶內(nèi)為碎裂巖、擠壓片狀巖、巖屑,面起伏粗糙,充填石英,沿結(jié)構(gòu)面滴水f47-25N10°E;NW∠70°3～5帶內(nèi)為碎塊巖、巖屑、石英,弱風(fēng)化狀,面起伏粗糙優(yōu)勢(shì)節(jié)理①N17°E;NW∠75°優(yōu)勢(shì)節(jié)理②N89°E;SE∠45°優(yōu)勢(shì)節(jié)理③N72°W;SW∠30°

2 軟件分析結(jié)果

2.1 隨機(jī)塊體破壞模式

優(yōu)勢(shì)節(jié)理①與廠房洞室軸線(xiàn)小角度相交，傾角75°；優(yōu)勢(shì)節(jié)理②和③走向與廠房軸線(xiàn)大角度相交。這3組節(jié)理在頂拱和邊墻都可能組成隨機(jī)塊體，其在頂拱與邊墻的破壞形式如圖2所示。

從圖2可知，3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理在頂拱部位組合成的潛在塊體以塌落破壞為主，潛在失穩(wěn)塊體的規(guī)模主要受控于優(yōu)勢(shì)節(jié)理的實(shí)際出露跡長(zhǎng)。經(jīng)Unwedge軟件分析得出了優(yōu)勢(shì)節(jié)理不同最大出露跡長(zhǎng)條件下頂拱潛在塌落塊體的體積(3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理取相同出露跡值)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。可以看出，頂拱的隨機(jī)塊體的體積一般小于1 m3。同樣的，3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理在上游側(cè)和下游側(cè)邊墻組成單滑面或雙滑面塊體，潛在失穩(wěn)塊體的規(guī)模也主要受控于優(yōu)勢(shì)節(jié)理實(shí)際出露的跡長(zhǎng)。表3也給出了邊墻在不同最大出露跡長(zhǎng)條件下邊墻的潛在塌落塊體的體積，可看出兩側(cè)邊墻的隨機(jī)雙滑面塊體的體積小于15 m3。

表2 結(jié)構(gòu)面跡長(zhǎng)的敏感性分析

根據(jù)廠房地質(zhì)的調(diào)查，3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理的性狀總體較好，地質(zhì)建議的結(jié)構(gòu)面的抗剪斷強(qiáng)度f(wàn)值為0.60～0.65，粘聚力為0.05 MPa～0.15 MPa。按抗剪斷強(qiáng)度，絕大部分隨機(jī)塊體總體上能夠自穩(wěn)。實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中，隨機(jī)節(jié)理的力學(xué)參數(shù)具有空間變化性，另外爆破沖擊也可能導(dǎo)致組成塊體的優(yōu)勢(shì)節(jié)理面失去粘聚力，進(jìn)而導(dǎo)致部分隨機(jī)塊體成為潛在失穩(wěn)塊體。實(shí)際施工中，爆破后的一期支護(hù)(或隨機(jī)支護(hù))需要采用錨桿對(duì)潛在失穩(wěn)塊體進(jìn)行針對(duì)性的錨固。

2.2 廠房半定位塊體破壞模式

通過(guò)地下洞室塊體分析軟件可以研究確定性的Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面與優(yōu)勢(shì)節(jié)理組合而成的半定位塊體分布特征。與前面隨機(jī)塊體的研究相一致，半定位塊體的體積與優(yōu)勢(shì)節(jié)理在開(kāi)挖面附近的出露跡長(zhǎng)相關(guān)，因此具有一定的不確定性，本次分析優(yōu)勢(shì)節(jié)理的出露跡長(zhǎng)取12 m，另外，成果整理時(shí)對(duì)于體積小于1 m3的潛在失穩(wěn)塊體不予以統(tǒng)計(jì)。

2.2.1 廠房頂拱

主廠房區(qū)域Ⅳ結(jié)構(gòu)面與優(yōu)勢(shì)節(jié)理組成的主要半定位塊體在頂拱的分布如表3所示。可以看出需要注意頂拱部位f47-18，f47-22與優(yōu)勢(shì)節(jié)理①組合而成的半定位塊體，該半定位塊體體積為23.61 m3，安全系數(shù)為3.02，開(kāi)挖過(guò)程中需要及時(shí)支護(hù)。

表3 拱頂及邊墻主要半定位塊體分布特征

2.2.2 廠房邊墻

主廠房區(qū)域Ⅳ結(jié)構(gòu)面與優(yōu)勢(shì)節(jié)理組合成的主要半定位塊體在邊墻的分布如表3所示。從表3中結(jié)果可以看出，施工過(guò)程中需要注意f47-23，f47-25與優(yōu)勢(shì)節(jié)理組②所形成的半定位塊體，體積為68.01 m3，該塊體安全系數(shù)為10.33，開(kāi)挖揭露后需要及時(shí)支護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)Unwedge程序分析，楊房溝水電站3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理的性狀總體較好，其形成的隨機(jī)塊體潛在塌落體積較?。?/p>

2)根據(jù)Unwedge程序分析，楊房溝水電站頂拱部位f47-18，f47-22與優(yōu)勢(shì)節(jié)理①組合而成的半定位塊體安全系數(shù)較低，開(kāi)挖時(shí)需及時(shí)支護(hù)；

3)在地下洞室開(kāi)挖分析中，可利用基于塊體理論的Unwedge程序?qū)Φ叵露词疫M(jìn)行潛在失穩(wěn)塊體的分析，從而快速準(zhǔn)確地獲得塊體的潛在塌落體積及巖體可能的破壞模式。可用于指導(dǎo)實(shí)際工程建設(shè)。

[1] 謝良甫,晏鄂川，季惠彬.地下水封洞庫(kù)圍巖塊體失穩(wěn)矢量分析方法研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2012,29(6):48-51.

[2] 盧書(shū)強(qiáng).巖體質(zhì)量對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定性的影響[J].地球與環(huán)境,2005,33(b10):319-324.

[3] 朱玉龍，徐娟花.Unwedge程序在隧道圍巖穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2012(4):1-6.

[4] 方 丹,陳建林,張 帥.楊房溝水電站地下廠房圍巖穩(wěn)定分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013，32(10):2094-2099.

The application of Unwedge inanalyzing block stability in water conservancy project

Chen Xiuyun

(Management of Daguhe in Laixi, Qingdao 266000, China)

Combining with the grotto group structure surface and superior joint group distribution characteristics of Yangfanggou water conservancy engineering underground powerhouse, and using the Unwedge software, researched the rock mass stability of underground powerhouse, the results show that the Unwedge had good application value in the analysis on potential failure block.

Unwedge, block theory, rock stability analysis

1009-6825(2016)34-0206-02

2016-09-25

陳秀蕓(1976- )，女，助理工程師

TP319

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