CCS水電站引水豎井不良地質段塊體穩定性分析

楊風威，齊三紅，楊繼華，張黨立，婁國川，苗 棟

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州 450003)

豎井是水利、采礦、交通、國防等工程領域一種重要的地下結構［1］。豎井開挖前，巖體內每個點處于平衡狀態，開挖后由于井壁失去原有巖石的支撐作用，井壁向井內空間位移，井筒周圍的巖體內會產生較大的附加應力，豎井井壁將可能發生塑性破壞，造成豎井井壁失穩坍塌［2－5］。

在豎井等地下工程圍巖穩定性問題的研究中，常用的圍巖穩定性判別依據是以允許相對位移值或允許收斂速率的形式給出的，當實測的位移值超出此值時即視為不穩定。而實際工程中，有的軟弱圍巖，變形值超出規范允許值數倍時仍未發生失穩;有的圍巖變形尚未達到允許值卻發生了坍塌［6－8］，多組結構面相互交切形成不穩定塊體而導致井壁塌方即屬此類［9］。

本文以在建的厄瓜多爾Coca-Codo Sinclair水電站(簡稱CCS水電站)500 m級超深引水豎井為工程背景，針對豎井在開挖過程中遇到的不良地質條件，運用UNWEDGE軟件，分析可能的不穩定塊體組合，計算其安全系數，并提出相應的處理措施，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

CCS水電站工程［19］位于厄瓜多爾Napo省和Sucumbios省境內的COCA河下游，為引水式電站，總裝機容量1 500 MW。

圖1 CCS水電站引水豎井布置示意圖Fig.1 The layout of water conduction shaft at CCShydropower station

CCS水電站2條引水發電洞均由上平段、豎井、下平段組成，如圖1所示。2號豎井的上口高程、下口高程及深度分別為1 168.9 m、631.0 m 及537.9 m，如圖2所示。豎井斷面為圓形，開挖洞徑7.1 m，襯砌后洞徑5.8 m。

圖2 不良地質段主要結構面分布示意圖Fig.2 The distribution of main structure surfaces at adverse geological segment

豎井采用反井法施工，首先在壓力管道上平段自上而下鉆設直徑280 mm導孔，然后自下而上擴挖導井，導井孔徑2 100 mm，最后利用導井出渣，自上而下鉆爆擴挖到設計開挖斷面。

2 豎井不良地質段圍巖條件

前期采用大地電磁法對2號引水豎井周圍地質條件進行探測，結果顯示高程1 050～1 220 m范圍內存在一低阻異常，電性特征表現為橫向產生明顯陡變，推測此處為斷層構造，圍巖條件較差。

根據2號引水豎井開挖揭露地質情況，在1 086～1 110 m高程段出露侏羅系—白堊系Misahualli地層(J-Km)，巖性主要以肉紅色、淺紅色火山角礫巖為主，節理裂隙、斷層及破碎帶較發育，圍巖穩定性較差，與前期物探成果較吻合。

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該段巖體發育一條陡傾角侵入巖脈，寬度為0.8～1.1 m，巖性主要為青灰色輝綠巖，接觸面產狀315°～320°∠72°～78°，巖脈內大部分巖體較完整且質地堅硬，在靠近斷層及破碎帶區域，巖體出現蝕變，呈灰白色，巖體較破碎，硬度較軟。

F363斷層產狀255°～265°∠78°～85°，斷層及影響帶寬度0.4～1.0 m，充填碎裂巖體、泥和鈣質。豎井中心偏東區域發育一條近南北向貫穿豎井的斷層F364，其產狀245°～255°∠81°～85°，寬度0.3 ～0.5 m，鈣質、泥質及角礫充填，沿該斷層平行發育多條陡傾角節理，并在豎井范圍內形成一條寬約2.0～2.5 m的斷層影響帶和裂隙密集帶。1 086 m高程掌子面洞壁正北方向揭露 F365斷層，產狀195°～203°∠82°，斷層寬度0.1～0.4 m，充填角礫、泥和鈣，該斷層在此高程初步揭露，隨著開挖的進行，將逐漸朝豎井中心移動并貫穿豎井，由于其寬度較大，傾角較陡，預計在高程1 040～1 086 m范圍內都會出現。3條斷層在1 086 m高程掌子面出露情況見圖2。

上述斷層及影響帶傾角較陡，寬度較大，向下延伸至豎井開挖斷面以外，并與其它結構面和破碎帶相互交切，導致1 086 m高程導井巖體局部塌方，如圖3、圖4所示。

圖3 豎井1 086 m高程掌子面Fig.3 The working face of shaft at the elevation of 1 086 m

3 井壁塊體穩定性分析及處理

3.1 UNWEDGE 程序介紹

UNWEDGE程序由加拿大多倫多大學E.Hoek等開發，主要依據為塊體理論，是一種適用于地下開挖形成的三維塊體穩定性分析的交互式軟件，用于分析巖體中存在的不連續結構面的地下開挖問題。UNWEDGE計算潛在不穩定塊體的安全系數，并可對支護系統對塊體穩定性的影響進行分析。

圖4 導井局部塌方Fig.4 The partial collapse in shaft

該程序采用安全系數F.S.(The factor of safety)來表征塊體穩定性。

安全系數F.S.由式①計算得出:

根據塊體失穩形式的不同，UNWEDGE可計算以下3種情況下的安全系數:

(1)直接垮落條件下的塊體安全系數(Ff)。直接垮落條件下的安全系數計算時，假定塊體只受被動支護力及拉力的阻滑力作用，而不考慮節理面的其它因素的影響(如剪切強度、滑動方向等)。滑動力包括:塊體重力、混凝土重力、主動壓力、水壓力及地震力?；瑒臃较驗榛瑒恿κ噶亢头较颉?/p>

其中 P=H+Y+B，A=W+C+X+U+E，Ti=σtiaisinθi。

(2)無支護條件下的塊體安全系數(Fu)。無支護條件下的安全系數計算時，假定塊體的阻滑力只有節理面的剪力和拉力，無支護力。滑動力包括:塊體重力、混凝土重力、主動壓力、水壓力及地震力。滑動方向為滑動力矢量和方向。只考慮由滑動力法向量所引起的剪力，阻滑力法向量引起的剪力不在考慮范圍。

(3)支護條件下的塊體安全系數(Fs)。支護條件下的安全系數計算時，假定塊體受節理面的剪力、拉力和支護力的作用?；瑒恿Π?塊體重力、混凝土重力、主動壓力、水壓力及地震力?；瑒臃较驗榛瑒恿κ噶亢头较?。剪力是由滑動力及阻滑力法向量同時引起的。

式②、③和④中:Ff為直接垮落條件下的塊體安全系數;P為阻滑力;H為混凝土的剪力;Y為被動壓力;B為錨桿力;A為滑動力;W為塊體重力;C為混凝土重力;X為主動壓力;U為水壓力;E為地震力;Ti為第i個節理面產生的拉力;σti為第i個節理面的拉伸強度;ai為第i個節理面的面積;θi為第i個節理面與滑動方向的夾角;s0為垮落方向;Fu為無支護條件下的塊體安全系數i為無支護條件下第i個節理面的剪力;τi為第i個節理面的剪切強度;s為滑動方向;Fs為無支護條件下的塊體安全系數為支護條件下第i個節理面的剪力。

3.2 塊體穩定性分析

斷層、巖脈接觸面及節理相互組合，對井壁圍巖穩定極為不利。為進一步分析其對下部井壁巖體的影響，避免大規模塌方和堵井的發生，通過UNWEDGE計算，搜索可能出現的最不利結構面組合，得到下方1 086～1 040 m高程最大不穩定塊體(編號2塊體)，如圖5所示，該塊體由F363斷層、巖脈接觸面和節理面(產狀172°∠82°)裂隙組成，出露于井壁的西側，距井壁最大尺寸為2.89 m。

圖5 UNWEDGE計算得到塊體分布Fig.5 Block location gained by UNWEDGE calculation

依據勘察試驗資料［18］，結構面力學參數選擇見表1，計算結果表明，在未支護情況下2號塊體的安全系數僅為0.1，因此，在后續開挖過程中，需提前進行加固處理，防止井壁失穩破壞。

表1 結構面力學參數表Table 1 The mechanic parameters of structure surfaces

3.3 不良地質段處理措施

在1 086 m高程以下，豎井設計Ⅳ類圍巖系統錨桿長度 L=4.0 m，間距2.0 m ×2.0 m。由于斷層寬度為0.4～1.0 m，支護需要穿過的不穩定塊體最大尺寸應取3.89 m，因此將系統錨桿調整為:間距1.5 m×1.5 m，直徑 Φ25，長度4.5 m 或 6.0 m，間隔布置。根據裂隙發育情況，在垂直裂縫面適當增加隨機錨桿，隨機錨桿采用直徑 Φ25，長度 4.0 m或 6.0 m。UNWEDGE支護后井壁模型如圖6所示，計算得到2號最大不穩定塊體安全系數為3.6，滿足穩定要求。

圖6 不穩定塊體支護模型Fig.6 The support model of unstable block in UNWEDGE

由于引水豎井為永久工程，深度較大，運行期需承受較大水壓力，為減小不穩定塊體對后期襯砌的影響，在原有支護方案的基礎上，增加一層鋼筋格柵，支護范圍為1 086～1 040 m高程，垂直向間距為3.0 m。環向鋼筋采用Φ32的螺紋鋼，豎向鋼筋采用Φ16螺紋鋼，間距均為30 cm，如圖7所示。

2014年12月，2號豎井擴挖全部完成，根據井壁位移監測數據，該不良地質段圍巖變形處于穩定狀態，支護效果良好。

圖7 環形鋼格柵加強支護Fig.7 The strengthening support of annular steel grate

4 結語

依據CCS水電站2號引水豎井開挖揭露的地質情況，運用UNWEDGE軟件，對豎井下部1 040～1 086 m高程不良地質段可能形成的不穩定塊體進行分析，并提出了支護處理措施。通過計算分析得到主要結論如下:

(1)斷層、巖脈及節理面的相互交切在豎井1 040～1 086 m高程段形成不穩定塊體。

(2)2號最大不穩定塊體需要支護的錨桿長度至少為3.89 m，井壁系統支護錨桿長度增加為4.5 m、6.0 m，間隔布置，間距縮小為1.5 m。

(3)環向鋼筋格柵是處理豎井不穩定塊體的有效加固措施。目前，CCS水電站2號引水豎井已開挖完成，現場位移監測資料證實該段巖體穩定性良好。

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