婁國(guó)川,齊三紅,楊風(fēng)威,姚 陽(yáng)
(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,鄭州 450003)
塊體是由多組結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面的發(fā)育形態(tài)、結(jié)構(gòu)面與洞室方位的關(guān)系、塊體形狀及有無(wú)臨空條件等[1~3]。在力的作用下,處于極限平衡、需要支護(hù)才能滿(mǎn)足穩(wěn)定要求的塊體稱(chēng)為關(guān)鍵塊體,關(guān)鍵塊體一旦失穩(wěn),有可能產(chǎn)生連鎖反應(yīng),造成整個(gè)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(kāi)挖過(guò)程中,應(yīng)對(duì)開(kāi)挖揭露的各種結(jié)構(gòu)面進(jìn)行認(rèn)真調(diào)查分析,對(duì)洞室內(nèi)可能出露的楔形體進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)實(shí)際揭露的楔形體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提供合理的支護(hù)處理措施。
UNWEDGE程序是加拿大多倫多大學(xué)E.Hock等人根據(jù)塊體理論(石根華等人提出)開(kāi)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(jiǎn)單、界面友好、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在地下工程塊體穩(wěn)定性分析中[9~11]。本文運(yùn)用UNWEDGE程序,對(duì)在建科卡科多辛克雷(COCA CODO SINCLAIR,簡(jiǎn)稱(chēng) CCS)水電站主廠房和主變室開(kāi)挖揭露的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行分析,并提出科學(xué)的支護(hù)處理建議。
CCS水電站位于厄瓜多爾南部Napo省和Sucumbios省境內(nèi)的COCA河下游,總裝機(jī)容量為1 500 MW (由8臺(tái)單機(jī)容量為187.5 MW的沖擊式機(jī)組成)。廠房洞室群由主廠房、主變電室、輸電母線(xiàn)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(mén)洞型,走向315°,尺寸分別為 212.8 m×27.5 m×50.0 m (長(zhǎng)×寬×高)及192.0 m×17.0 m×32.5 m(長(zhǎng)×寬×高),垂直埋深 150~300 m。
廠房區(qū)屬于Sinclair構(gòu)造帶,構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,區(qū)域內(nèi)沒(méi)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(jié)構(gòu)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(duì)廠房區(qū)發(fā)育的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,Misahualli地層主要發(fā)育3組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)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(wú)充填,局部鈣膜充填,延伸較長(zhǎng),平均 0.5~1 條/m。 ②320°~350°/SW∠70°~80°,平直粗糙,泥質(zhì)條帶或方解石脈充填,寬度2~3 mm,局部1cm,少數(shù)高嶺土化,延伸長(zhǎng)度大于 10m。③310°~320°/NE∠5°~15°,結(jié)構(gòu)面零星發(fā)育,數(shù)量少,延伸長(zhǎng),整體充填2 mm左右?guī)r屑,局部充填大于10 mm的方解石脈。
經(jīng)典塊體理論將結(jié)構(gòu)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(lèi)型。工作過(guò)程中,要對(duì)結(jié)構(gòu)面與臨空面相互切割形成的塊體進(jìn)行搜索分析,查找出處于極限穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵塊體,并對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算和采取支護(hù)措施[13]。
圖1 CCS水電站地下廠房節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)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(lèi)圖Fig.2 CCS hydropower station underground powerhouse block classification
UNWEDGE version3.0版本較之前版本增加了地下水、地應(yīng)力、地震力等功能,其工作思路主要為:以地下洞室開(kāi)挖的形狀和尺寸為幾何模型,在軟件中輸入3組典型結(jié)構(gòu)面,并結(jié)合開(kāi)挖臨空面作為四面體的邊界條件。以各組結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)為介質(zhì)條件,自動(dòng)搜索出結(jié)構(gòu)面在洞室各個(gè)部位切割形成的最大塊體,并計(jì)算出各個(gè)塊體的體積、重量和塊體穩(wěn)定性[9~11]。 軟件中,可以根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查的塊體規(guī)模,對(duì)系統(tǒng)默認(rèn)的最不利塊體組合進(jìn)行規(guī)模限制,使得結(jié)構(gòu)面組合到的塊體與實(shí)際揭露的塊體更加符合,增加塊體分析的真實(shí)性、合理性,并科學(xué)地指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。
該電站地下主廠房和主變電室跨度較大。洞室開(kāi)挖之后,不穩(wěn)定塊體臨空條件較好。為了避免施工過(guò)程中發(fā)生塊體滑移等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象,在前期場(chǎng)區(qū)出露優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上,運(yùn)用UNWEDGE程序?qū)Σ环€(wěn)定塊體進(jìn)行搜索,并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。在分析計(jì)算過(guò)程中,采用的結(jié)構(gòu)面的參數(shù)為:節(jié)理 J的內(nèi)摩擦角為 29°,內(nèi)聚力為 0.05 MPa;斷層 f的內(nèi)摩擦角為22°,內(nèi)聚力為0.1 MPa。楔形體搜索分析結(jié)果如圖3和表1所示。
由表1可知:在主廠房和主變電室開(kāi)挖過(guò)程中,受結(jié)構(gòu)面切割,下游邊墻(塊體2)和上游側(cè)頂拱(塊體8)很有可能發(fā)生塊體失穩(wěn)現(xiàn)象,應(yīng)對(duì)這3組結(jié)構(gòu)面進(jìn)行編錄與分析,并根據(jù)其延伸長(zhǎng)度和出露位置,及時(shí)做出相應(yīng)的地質(zhì)預(yù)報(bào),以此來(lái)指導(dǎo)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
經(jīng)典塊體理論假設(shè)結(jié)構(gòu)面是平直且無(wú)限延伸的,UNWEDGE程序自動(dòng)搜索出來(lái)的塊體為各組結(jié)構(gòu)面與洞室形成的最大規(guī)模的三角體,而實(shí)際工作過(guò)程中,結(jié)構(gòu)面的延伸長(zhǎng)度有限,開(kāi)挖揭露的塊體規(guī)模較小。因此,對(duì)實(shí)際揭露的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí),應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)面的延伸長(zhǎng)度對(duì)塊體規(guī)模進(jìn)行限制。
CCS水電站地下廠房的主廠房和主變電室開(kāi)挖過(guò)程中,在下游邊墻均出現(xiàn)一處塊體,根據(jù)出露塊體的規(guī)模,運(yùn)用UNWEDGE程序?qū)K體支護(hù)前后的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,具體如圖4~圖5和表2所示。分析計(jì)算過(guò)程中,采用的結(jié)構(gòu)面的參數(shù)同上述,地震加速度為0.3 g,采用的支護(hù)參數(shù)為:φ25的錨桿抗拉強(qiáng)度為137 kN、φ28的為172 kN,錨桿黏結(jié)強(qiáng)度為2.5 MPa,混凝土單位體積質(zhì)量為 2.60 kg/m3,混凝土剪切強(qiáng)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(jié)果可知,塊體CM-W1和CTW1在支護(hù)之前安全系數(shù)均小于1,處于失穩(wěn)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)支護(hù)以后,自然工況下,安全系數(shù)均大于2;地震工況下,安全系數(shù)均大于1.5,滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。鑒于此,施工過(guò)程中,建議施工方采用了“小藥量、多循環(huán)、強(qiáng)支護(hù)”方法,對(duì)開(kāi)挖揭露出來(lái)的塊體及時(shí)進(jìn)行支護(hù),支護(hù)完成之后,再進(jìn)行下一循環(huán)的開(kāi)挖,成功避免了塊體失穩(wěn)帶來(lái)的危害。
表2 地下廠房等塊體穩(wěn)定性分析結(jié)果Table 2 Block stability analysis results of underground powerhouse
UNWEDGE程序是在塊體理論的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的針對(duì)地下洞室塊體穩(wěn)定性分析的專(zhuān)業(yè)軟件,軟件操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大。在CCS水電站建設(shè)過(guò)程中,UNWEDGE程序得到成功運(yùn)用,并很好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。
UNWEDGE程序默認(rèn)的是由3組結(jié)構(gòu)面和開(kāi)挖臨空面組合而成的四面體塊體,結(jié)構(gòu)面無(wú)限延伸,組合成的為最大不利塊體。但在實(shí)際工作中,塊體的組合形式多樣,且節(jié)理延伸長(zhǎng)度有限。因此,需要地質(zhì)工程師對(duì)結(jié)構(gòu)面的延伸長(zhǎng)度、空間位置和規(guī)模性狀進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查分析,在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)行更符合實(shí)際的塊體穩(wěn)定性分析工作。
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