劉登學(xué)，黃書嶺，李 堅(jiān)，董志宏，張 練

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010；2.云南省滇中引水工程有限公司，云南 麗江 674199)

我國多個(gè)已建大型地下洞室的工程實(shí)踐均表明，及時(shí)快速的塊體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是確保洞室施工期圍巖安全的重要工作內(nèi)容之一，是工程現(xiàn)場加強(qiáng)局部支護(hù)措施的一項(xiàng)重要依據(jù)。由石根華與Goodman等[1]合作建立的塊體理論是一種可以有效識(shí)別塊體并評(píng)估其穩(wěn)定性的方法。該方法自提出以來，已在地下洞室、邊坡[2]等巖體工程穩(wěn)定性分析中得到了廣泛應(yīng)用。裴覺民等[3]應(yīng)用該理論分析了水電站的地下廠房洞室穩(wěn)定問題，鄔愛清等[4-5]和黃正加等[6]對(duì)塊體理論應(yīng)用于工程問題中所涉及到的凹形塊體問題，塊體水壓模擬等問題進(jìn)行了研究，并將塊體理論應(yīng)用于三峽船閘高邊坡及地下廠房塊體穩(wěn)定性分析。盛謙等[7]應(yīng)用塊體理論對(duì)三峽地下廠房圍巖中裂隙可能構(gòu)成的隨機(jī)塊體問題進(jìn)行了分析。張奇華等[8-9]、周 偉[10]和張靖杰等[11]針對(duì)塊體理論開發(fā)了相關(guān)軟件并成功應(yīng)用于地下工程巖體穩(wěn)定性分析中。李紅旭等[12]利用塊體理論對(duì)某水電站地下廠房區(qū)可能構(gòu)成的塊體類型進(jìn)行了研究，并統(tǒng)計(jì)分析了塊體的幾何特征與穩(wěn)定性。胡義等[13]將塊體理論應(yīng)用于大渡河大崗山水電站的主廠房圍巖穩(wěn)定性分析中。有些學(xué)者還將隨機(jī)理論引入其中，分析塊體系統(tǒng)的可靠度問題[14-15]。

本文闡述了基于塊體理論的地下洞室施工期定位塊體穩(wěn)定性分析策略，并將其應(yīng)用于陽江抽水蓄能電站地下廠房洞室群施工期圍巖穩(wěn)定性分析中，根據(jù)陽江抽水蓄能電站地下洞室群實(shí)際開挖揭露的地質(zhì)條件，在現(xiàn)場施工地質(zhì)研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場踏勘對(duì)開挖揭露地質(zhì)條件和巖體結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識(shí)，首先對(duì)地下廠房圍巖巖體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行全面的量化分析和比較，其次基于塊體理論對(duì)主廠房施工期存在的定位塊體問題進(jìn)行分析。

1 基于塊體理論的地下洞室施工期定位塊體穩(wěn)定性分析策略

1.1 塊體理論簡介

塊體理論將結(jié)構(gòu)面和開挖臨空面假定為空間平面，塊體則為由空間平面相互切割而形成的幾何凸體，將塊體所受的自重、裂隙水壓力及錨固力等作用荷載看成空間向量，然后應(yīng)用幾何方法(拓?fù)鋵W(xué)和集合論)判斷巖體內(nèi)可形成塊體的類型及其可動(dòng)性。最后通過靜力平衡計(jì)算，求出各類可動(dòng)塊體的安全系數(shù)以找出開挖面上所有的關(guān)鍵塊體，并計(jì)算出所需錨固力，作為工程加固措施的設(shè)計(jì)依據(jù)。

地下洞室、邊坡等巖體工程開挖之前，結(jié)構(gòu)面的具體位置信息不能確定，此時(shí)可進(jìn)行不定位或半定位塊體分析。巖體工程開挖后，通過對(duì)實(shí)際揭露的結(jié)構(gòu)面性狀及位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述，可進(jìn)行定位塊體分析，此時(shí)塊體的體積、埋深及幾何形態(tài)均是確定的，因此可根據(jù)塊體穩(wěn)定性分析結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)支護(hù)方案進(jìn)行校核并在必要時(shí)提出修改意見，以保證塊體的穩(wěn)定性。

1.2 地下洞室施工期定位塊體穩(wěn)定性分析基本思路

地下洞室施工期定位塊體穩(wěn)定性分析基本思路為：首先根據(jù)地下洞室施工期實(shí)際開挖揭露的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面信息，尋找在洞室頂拱或邊墻部位可能形成不穩(wěn)定塊體的結(jié)構(gòu)面組合，并進(jìn)行全空間赤平投影分析，利用塊體理論中的有限性定理和可動(dòng)性定理判斷塊體是否為有限可動(dòng)塊體，并進(jìn)一步判斷有限可動(dòng)塊體潛在的失穩(wěn)模式；然后利用所揭露結(jié)構(gòu)面的位置信息進(jìn)行塊體的空間幾何形態(tài)描述，獲得有限可動(dòng)塊體的方量、滑動(dòng)面的面積以及塊體的埋深等信息；最后，基于塊體的失穩(wěn)模式、幾何形態(tài)及相應(yīng)結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)等，計(jì)算有限可動(dòng)塊體的安全系數(shù)，對(duì)于塊體安全系數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求的，則需計(jì)算塊體達(dá)到允許最小安全系數(shù)所需支護(hù)力。塊體穩(wěn)定性分析流程見圖1[16]。

圖1 塊體穩(wěn)定性分析流程圖[16]

2 工程概況及廠區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征

2.1 工程概況

陽江抽水蓄能電站位于廣東省西部的陽江市—陽春八甲鎮(zhèn)高屋村，屬漠陽江的二級(jí)支流白水河流域。電站總裝機(jī)規(guī)模2 400 MW，采用近、遠(yuǎn)兩期建設(shè)，近期裝機(jī)規(guī)模1 200 MW，遠(yuǎn)期裝機(jī)規(guī)模1 200 MW，為Ⅰ等大(1)型工程。地下廠房系統(tǒng)由主副廠房、主變洞、母線洞、尾水閘門廊道、尾閘運(yùn)輸洞、高壓電纜洞、交通洞、進(jìn)風(fēng)豎井、排風(fēng)豎井、排水廊道以及地面開關(guān)站等組成，地下廠房各部位主要尺寸：主機(jī)間長88.5 m、寬27.5 m、高60.2 m；安裝場長44.0 m、寬27.5 m、高26.95 m；副廠房長24.0 m、寬27.5 m、高50.9 m。

根據(jù)地質(zhì)測繪、鉆孔及探洞揭露，廠房區(qū)地層巖性主要以燕山三期(γ52(3))灰白色中粗粒黑云母花崗巖和混合巖為主，斷裂不發(fā)育，具有整體和塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖類別以Ⅰ類—Ⅱ類為主，占85%以上[17]，見圖2。

圖2 開挖揭露的圍巖

2.2 巖體結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)陽江抽水蓄能電站主廠房開挖后的地質(zhì)資料，對(duì)主廠房出露的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。主廠房共揭露1條斷層，該斷層在頂拱及上下游邊墻均有出露。主廠房出露的裂隙共計(jì)326條，其中頂拱56條，上游邊墻152條，下游邊墻118條。就結(jié)構(gòu)面對(duì)地下洞室穩(wěn)定性的影響而言，一般來講，圍巖中發(fā)育的陡傾角結(jié)構(gòu)面對(duì)高邊墻的穩(wěn)定不利；而緩傾角結(jié)構(gòu)面對(duì)于大跨度的洞室頂拱穩(wěn)定非常不利。正是因?yàn)榇嬖谶@種差別，針對(duì)洞室頂拱和高邊墻不同特點(diǎn)，在研究結(jié)構(gòu)面時(shí)關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)有所不同。因此在分析主廠房巖體結(jié)構(gòu)特征時(shí)，應(yīng)針對(duì)主廠房不同部位進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)分析。下面以主廠房上游側(cè)邊墻為例。

主廠房上游邊墻共揭露153條結(jié)構(gòu)面，包含1條斷層和152條裂隙，斷層與洞軸線夾角為47°，傾角80°，在上游邊墻出露長度44.83 m。圖3為主廠房上游邊墻出露裂隙的投影極點(diǎn)圖和走向玫瑰花圖?？梢钥闯?，投影極點(diǎn)的分布比較離散，相對(duì)的優(yōu)勢(shì)集中方位為NE/NW向的陡傾角裂隙、SN/E向的陡傾角裂隙，此外NW/NE和NW/SW向的陡傾角裂隙也較為發(fā)育。

(1) 對(duì)裂隙的走向與主廠房軸線夾角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：走向與洞軸線夾角大于40°的裂隙有73條，約占48%；走向與洞軸線夾角在20°～40°之間的裂隙有35條，約占23%；走向與洞軸線夾角小于20°的裂隙有44條，約占29%?？梢园l(fā)現(xiàn)，主廠房上游邊墻存在一部分裂隙與洞室軸線呈小角度相交。

(2)對(duì)裂隙的傾角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：傾角大于60°的裂隙有129條，約占84%；傾角在30°～60°之間的裂隙有14條，約占9%；傾角小于30°的裂隙有9條，約占6%。由此可見，主廠房上游邊墻的裂隙以陡傾角裂隙為主。

(3)對(duì)裂隙的延展長度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：延展長度大于30 m的裂隙有16條，約占11%；延展長度20 m～30 m的裂隙有26條，約占17%；延展長度10 m～20 m的裂隙有53條，占約35%；裂隙延展長度小于10 m為57條，占約37%。從裂隙的延展長度來看，主廠房上游邊墻延展長度大于10 m的裂隙為63%，以長大裂隙為主。

總體來看，對(duì)于主廠房上游邊墻，發(fā)育的裂隙以陡傾角長大的裂隙為主，超過一半裂隙走向與廠方軸線夾角小于40°，對(duì)高邊墻的穩(wěn)定存在一定的不利影響。另外，存在的不利的陡傾裂隙與斷層組合也會(huì)影響上游邊墻圍巖的局部穩(wěn)定。

圖3 主廠房上游邊墻出露裂隙產(chǎn)狀特征

3 定位塊體穩(wěn)定性分析

3.1 塊體搜索結(jié)果

對(duì)主廠房邊墻的不利結(jié)構(gòu)面組合進(jìn)行了全空間赤平投影分析，上下游邊墻共存在13個(gè)塊體(BQ-1—BQ-13)，其中塊體BQ-1—BQ-12位于上游側(cè)邊墻，主要分布在上游邊墻廠橫0+100—廠橫0+130段巖壁吊車梁高程附近及廠橫0+007—廠橫0+030段巖壁吊車梁下部，塊體BQ-12—BQ-13位于下游側(cè)邊墻，分布在下游側(cè)邊墻0+025—廠橫0+035段。13個(gè)定位塊體的塊體方量不大，在0.95 m3～96.24 m3之間，塊體埋深在0.83 m～12.16 m之間。塊體的具體位置見圖4和圖5。

3.2 塊體穩(wěn)定性分析

根據(jù)每個(gè)塊體的失穩(wěn)模式、幾何形態(tài)及相應(yīng)結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)，計(jì)算塊體的安全系數(shù)。

圖4 主廠房上游邊墻塊體位置

圖5 主廠房下游邊墻塊體位置

對(duì)于單面滑動(dòng)模式，塊體的安全系數(shù)為：

(1)

式中:fi為滑動(dòng)面i的摩擦系數(shù);Ci為滑動(dòng)面的黏聚力;Ai為滑動(dòng)面面積；Ni為合力在滑動(dòng)面上沿法向上的分量;Ti為合力在滑動(dòng)面上沿滑動(dòng)方向上的分量。

雙面滑動(dòng)的塊體安全系數(shù)計(jì)算公式與單面滑動(dòng)時(shí)類似，塊體的安全系數(shù)為：

(2)

式中：fi和fj分別為滑動(dòng)面i和j的摩擦系數(shù);Ci和Cj分別為滑動(dòng)面i和j的黏聚力;Ai和Aj分別為滑動(dòng)面i和j面積;Ni和Nj分別為合力在滑動(dòng)面i和j法向方向上的分量;T為塊體沿滑動(dòng)面i和j交線方向上的滑動(dòng)力，可按合力矢量分解及相應(yīng)平衡條件計(jì)算。

結(jié)構(gòu)面力學(xué)取值參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)表

主廠房邊墻處定位塊體穩(wěn)定性分析結(jié)果匯總見表2。邊墻處塊體的控制標(biāo)準(zhǔn)為其安全系數(shù)不小于1.5。當(dāng)計(jì)算得到的無支護(hù)條件下的塊體安全系數(shù)小于以上控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，視為關(guān)鍵塊體，對(duì)該塊體進(jìn)一步計(jì)算達(dá)到允許最小安全系數(shù)所需的錨固力。由于部分塊體的埋深較淺(埋深<5 m)，結(jié)構(gòu)面受開挖爆破影響較大，故在塊體穩(wěn)定性分析中，計(jì)算了兩種工況下(考慮黏聚力和不考慮黏聚力)塊體的安全系數(shù)。在考慮滑面的黏聚力作用的情況下，13個(gè)定位塊體安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，在不考慮滑面的黏聚力作用的情況下，部分淺埋塊體安全系數(shù)不在滿足設(shè)計(jì)要求，且部分塊體的安全系數(shù)小于1，但塊體方量較小，考慮一定的支護(hù)措施后，可保證塊體的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

塊體理論是一種可以解決水利水電工程地下洞室頂拱或邊墻局部穩(wěn)定性的有效方法。本文基于塊體理論介紹了地下洞室施工期定位塊體穩(wěn)定性分析的基本思路，并應(yīng)用于陽江抽水蓄能電站地下廠房洞室群施工期局部圍巖穩(wěn)定性分析中。主要結(jié)論為：

(1) 從開挖揭露的地質(zhì)條件來看，陽江抽水蓄能地下廠房一個(gè)顯著特點(diǎn)是陡傾裂隙相對(duì)發(fā)育、緩傾角裂隙不發(fā)育，但存在少部分裂隙走向與洞軸線呈小角度相交，對(duì)邊墻穩(wěn)定相對(duì)不利。

(2) 雖然陽江抽水蓄能電站地下廠房區(qū)域結(jié)構(gòu)面發(fā)育，但能夠完全切割圍巖形成不穩(wěn)定塊體的不利結(jié)構(gòu)面組合不多。在主廠房邊墻共搜索到13個(gè)定位塊體，部分塊體的埋深較淺，結(jié)構(gòu)面受開挖爆破影響較大，不考慮黏聚力條件下的塊體安全系數(shù)不滿足安全控制標(biāo)準(zhǔn)，但塊體方量較小，考慮一定的支護(hù)措施后，可保證塊體的穩(wěn)定性。

表2 塊體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果