塊體理論在阜康抽水蓄能電站地下廠房圍巖穩定分析中的應用

賈 巍,于 沖,石廣斌

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;2.西安建筑科技大學,西安 710054;3.西安理工大學,西安 710048)

文章編號：1006—2610(2015)01—0020—05

塊體理論在阜康抽水蓄能電站地下廠房圍巖穩定分析中的應用

賈 巍1,于 沖1,石廣斌2,3

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;2.西安建筑科技大學,西安 710054;3.西安理工大學,西安 710048)

通過用塊體理論計算洞周關鍵塊體凈滑力，論證了阜康抽水蓄能電站廠房軸線的方位是比較合適的，但宜向北方向偏轉；從隨機塊體和定位塊體穩定初步分析結果來看，斷層在地下廠房中形成大規模不穩定的塊體可能性較小，個別塊體在抗剪(純摩)安全系數小于1.0，但在系統錨固措施下或局部加強支護、略加考慮抗剪斷效應，其安全系數均滿足要求，說明本階段設計擬定的系統錨固措施是可行的，也是合理的。

阜康抽水蓄能電站；地下廠房；塊體理論；圍巖穩定分析

0 前 言

關鍵塊體理論(或稱塊體理論，key block theory)起源于20世紀70年代四川白龍江上的碧口水電站調壓井，調壓井邊墻高約80 m，巖性為千枚巖，圍巖穩定問題非常突出，石根華博士用赤平投影法和幾何方法分析巖體穩定性[1-2]，提出了合理的、科學的、可靠的支護措施，從而確保該項工程的順利建成，就在此過程中，逐步形成了塊體理論雛形，目前該理論已成為工程巖體穩定分析的一種有效方法。塊體理論假定巖體結構面為平面、結構面切割而成的塊體為剛體，利用幾何拓撲方法分析巖體在不同的開挖面上可能失穩的塊體類型，并結合剛體力學平衡分析，研究塊體的穩定性及支護措施。塊體理論已在巖石工程中取得了非常大的成功，特別是在當代的中國得到了廣泛的應用，例如，在地下洞室、邊坡巖體穩定性分析中都得到了應用[3-8]。

巖體地下工程開挖之前，通過塊體理論可以預測分析不同開挖面上可能失穩塊體及關鍵塊體類型、幾何特征及穩定性狀況，但此時塊體是不定位(結構面位置均為未知)或半定位(構成塊體的某一結構面位置已知，如特定的斷層)的。巖體開挖后，可通過調查實際出露結構面性狀及位置，分析塊體的幾何特征及穩定性，此時塊體是定位的。由于巖體中節理的發育具有隨機性的特點，通過對節理的產狀、間距、長度等進行統計分析，可獲得隨機分布或優勢結構信息。因此，本文試想用塊體理論分析主廠房軸線選擇的合理性；根據裂隙優勢結構面組合和探硐揭露的斷層分布進行隨機塊體和定位塊體穩定分析，并借此成果來評價地下廠房圍巖局部穩定性和前期錨固措施的可行性。

1 工程地質概況

新疆阜康抽水蓄能電站地下廠房洞室群主要由主副廠房洞、主變洞、尾水閘門操作室等組成，主廠房軸線方向為NE20°。主副廠房洞最大開挖尺寸為173.5 m×26.1 m(巖壁梁以下跨度為24.3 m)×54.80 m(長×寬×高)，主變洞位于主廠房下游側，最大開挖尺寸為150 m×19.5 m×21.8 m(長×寬×高)。

地下廠房上覆巖體厚度200～300 m，水平埋深大于500 m，深埋地下。地下廠房部位出露巖性為灰黑色、灰綠色硅質巖夾砂巖(C2-2)，中厚層為主，層厚一般20～50 cm。巖層走向NW270°～275°，傾向NE，傾角30°～40°，巖體微風化～新鮮，斷層影響帶附近強～弱風化。勘探平硐揭露的斷層主要發育3組，見表1。

表1 平硐揭露的3組斷層產狀表

裂隙主要可歸納為3組：① 組走向NW320°～350°，傾向SW少NE，傾角70°～90°；② 組走向NE10°～30°，傾向NW少SE，傾角60°～85°；③ 組走向NW270°～275°，傾向NE，傾角40°～45°。

其中①組最為發育，局部密集成組發育，結構面多粗糙，充填方解石脈、巖粉等，性狀相對較好。②組、③組零星發育。

2 基于塊體理論的主廠房軸線的選擇

主廠房軸線的選擇一般根據斷層結構面及裂隙結構面的發育特性、廠區地應力最大主應力方向、圍巖結構塊體特征、樞紐布置等綜合考慮確定，因此，本文用塊體理論分析洞周關鍵塊體凈滑力分布情況，以此評價洞軸線的合理性。

圖1 廠房軸線方位與斷層、裂隙組走向的關系圖

圖1表示了廠房軸線方位與斷層、裂隙組走向的關系，3組斷層與廠房軸線方位的夾角分別為70°～75°、50°～70°、20°～40°。3組裂隙與廠房軸線方位的夾角分別為30°～60°、0°～10°、70°～75°，從夾角大小可以看出，第3組斷層對洞室邊墻圍巖影響較大，第2組裂隙對洞室邊墻圍巖影響最大；從傾角分布來看，緩傾角斷層、裂隙不發育，有利于頂拱圍巖穩定。

根據塊體理論可以計算出3組斷層和3組裂隙的洞周關鍵塊體凈滑力。圖2是根據3組斷層計算的洞周關鍵塊體凈滑力等值線。圖3是根據3組裂隙計算的洞周關鍵塊體凈滑力等值線，圖4是根據3組斷層和3組裂隙組合計算的洞周關鍵塊體凈滑力等值線。從圖2～4中可以看出，3組斷層組成的塊體對洞室局部穩定影響很小，3組裂隙組成的塊體對洞室局部穩定影響比較大。目前NE20°廠房軸線的方位是比較合適的，宜向北方向偏轉，不過也要結合樞紐布置或盡量使結構面的走向與廠房軸線的夾角增大以降低巖體結構面或不利塊體組合對高邊墻穩定的影響。

圖2 斷層組合洞周關鍵塊體凈滑力等值線圖

圖3 裂隙組合洞周關鍵塊體凈滑力等值線圖

3 基于裂隙優勢結構面組合的隨機塊體穩定分析

3.1 裂隙計算產狀

根據地質報告，新疆阜康抽水蓄能電站地下廠房洞室裂隙主要可歸納為3組，其計算產狀見表2。

經塊體組合分析，①②③、②③④、③④⑤、①③⑤可與洞室開挖面組合成值得工程設計人員關注的可移動塊體。

表2 裂隙計算產狀表

圖4 斷層與裂隙組合洞周關鍵塊體凈滑力等值線圖

3.2 結構面力學指標

地下廠房塊體穩定分析時，摩擦系數f′和凝聚力c′取值原則如下：

(1) 根據圍巖塑性區計算深度和本課題組對已建洞室(隧洞)塌落破壞情況的調查結果，在塊體穩定分析過程中塊體嵌入圍巖深度分別按25.0、15.0、8.0、4.0 m計算。

(2) 摩擦系數f′=0.5。

(3) 塊體嵌入圍巖深度大于15.0 m時，凝聚力c′=0.08 MPa。

(4) 塊體嵌入圍巖深度小于15.0 m，大于8.0 m時，凝聚力c′=0.04 MPa。

(5) 塊體嵌入圍巖深度小于8.0 m，大于4.0 m時，凝聚力c′=0.02 MPa。

(6) 塊體嵌入圍巖深度小于4.0 m時，凝聚力c′=0.0 MPa。

3.3 塊體穩定分析結果

塊體穩定分析時，頂拱部位塊體安全系數不小于1.50；邊墻部位塊體安全系數不小于1.15。經穩定分析，部分隨機塊體在自然狀態下安全系數偏低，經系統錨固或局部加強支護后，滑動安全系數滿足要求。局部加強支護措施為3Φ28錨筋樁，長度L=9.0 m，間排距為3.0 m×3.0 m，與類似工程相比，局部加強支護也是在合理范圍，如拉西瓦水電站地下廠房局部加強支護采用的錨索為150 t、間排距為4.5 m或3Φ28錨筋樁，長度L=12.0m，間排距為1.5 m×1.5 m。圖5和圖6是斷裂③④⑤在頂拱、上下游墻處可能出現組合塊體。

圖5 頂拱塊體三維示意圖

圖6 上、下游墻塊體三維示意圖

4 定位塊體穩定分析

探硐PD31和PD32在地下廠房位置的底高程為1 762.95 m, 地下廠房廠頂高程約為1 710.0 m，兩者之間的垂直高差約52 m，因此，探硐揭露的巖性、巖體結構面等工程地質特性總體上應該與廠房位置巖體特性是基本相同的，因此，依據探硐PD31、PD32揭露的巖體結構面推測到地下廠房位置上的分布是可以作為定位塊體穩定分析的邊界條件。本次依據高程1 762.0、1 715.0、1 685.0、1 669.0 m等地質平切圖上結構面分布情況，進行地下廠房部位的定位塊體穩定性分析。圖7和圖8是工程地質平切圖。

通過對高程1 762.0 m、高程1 715.0 m(廠房頂高程約1 710.0 m)、高程1 685.0 m(發機層高程約1 865.0 m)、高程1 669.0 m等工程地質平切圖上結構面分布情況分析，塊體穩定分析時主要考慮斷層f1(PD31)、f1(PD32)、f4、f5、f6、f7、f11、f14等對地下廠房頂拱、上下游邊墻的局部圍巖穩定性的影響。

圖7 高程1 715 m工程地質平切圖

圖8 高程1 685 m工程地質平切圖

從定位塊體穩定初步分析結果來看，斷層在地下廠房中形成大規模不穩定塊體可能性較小。圖9是定位塊體之一赤平投影圖，圖中1是f1(PD32)，2是f14，JP為100，f1(PD32)和f14與廠軸的夾角分別為80°和50°，從圖中可以看出，在廠房上游邊墻若遇到產狀為傾向SE的斷裂Lx，則可形成沿f14和Lx雙面滑動的塊體，在不考慮第4條結構面切割的情況下，在圍巖中最大延伸深度約為7.0 m。在不計結構面凝聚力和地應力的影響，f=0.5時，抗滑安全系數K=0.56，小于1.15；c=0.02 MPa，f=0.5時，抗滑安全系數K=1.152，大于1.15。在考慮系統錨桿支護下，c=0.02 MPa，f=0.5時，抗滑安全系數K=2.04，大于1.15。圖10是斷裂f1和f14形成最大塊體形態。

圖9 斷裂f1和f14的赤平投影圖

圖10 斷裂f1和f14形成最大塊體形態圖

5 結 語

(1) 通過洞周關鍵塊體凈滑力計算分析得出，3組斷層組成的塊體對洞室局部穩定影響很小，3組裂隙組成的塊體對洞室局部穩定影響比較大。NE20°廠房軸線的方位是比較合適的。

(2) 從基于裂隙優勢結構面組合的隨機塊體和定位塊體穩定分析初步結果來看，斷層在地下廠房中形成大規模不穩定塊體可能性較小，目前地質報告中表述的幾條斷層對廠房圍巖局部穩定影響不是很大，即使個別塊體在抗剪(純摩)安全系數小于1.0，但在系統錨固措施下或局部加強支護、略加考慮抗剪斷效應下，其安全系數均滿足要求，說明本階段設計擬定的系統錨固措施是可行的，也是合理的。

(3) 由于地下洞室地質條件非常復雜，開挖揭露的地質結構面成百上千條，它們與開挖面相互切割組成塊體的可能性還是很大的，因此，建議在施工階段，根據開挖揭露的地質結構面，進行塊體跟蹤或預測分析，從而有力地保障地下洞室開挖施工安全，為地下洞室開挖跟蹤動態支護設計提供可靠的依據。

[1] 石根華.巖體穩定分析的赤平投影方法[J].中國科學，1977,(3)：74-85.

[2] Goodman R E,Shi gen hua.Block Theory and Its Appliction to Rock Engineering[M].New York:Prentice Hall,1985.

[3] 劉錦華,呂祖珩.塊體理論在工程巖體穩定分析中的應用[M].北京:水利電力出版社,1988.

[4] 黃正加,鄔愛清,盛謙.塊體理論在三峽工程中的應用[J].巖石力學與工程學報,2001,20(5):648-652.

[5] 盛謙，黃正加，鄔愛清.三峽工程地下廠房隨機塊體穩定性分析[J].巖土力學, 2002,23( 6):747-749.

[6] 馬秀偉,皮漫,遲通,張帆. 卡里巴南岸水電站擴機工程地下廠房圍巖穩定數值分析[J].西北水電, 2014,(4): 50-54.

[7] 石廣斌,李寧.高地應力下大型地下洞室塊體變形特征及其穩定性分析[J].巖石力學與工程學報,2009,28(1):2884-2890.

[8] 石廣斌,董源,李敬昌.大型地下洞室圍巖定位塊體的快速生成及穩定分析[J].西北水電,2012,(4):18-25.

Application of Block Theory in Analysis on Stability of Surrounding Rock of Underground Powerhouse,Fukang Pumped Storage Power Plant

JIA Wei1, YU Chong1, SHI Guang-bin2,3

(1.POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China;2. Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710054,China; 3. Xi'an University of Technology, Xi'an 710048,China)

Through the calculation of the net sliding forces of the key blocks by the block theory, the suitability of the direction of the powerhouse axis of Fukang Pumped Storage Power Plant is demonstrated. The powerhouse axis should turn to northern direction, from the primary analysis on the stability of random blocks and positioning blocks, possibility of large-scaled and unstable block to be formed by fault in the powerhouse is little. The safety factors of individual blocks for shearing (pure friction) are lower than 1.0, In condition of provision of the systematic anchoring measures, or with local reinforcing support and slightly in consideration of rupture-resistance effect, the safety factor satisfies requirement. This presents that the proposed systematic anchoring measures at this stage is feasible and reasonable.

Fukang Pumped Storage Power Plant; underground powerhouse; block theory; analysis on stability of surrounding rock

2014-06-04

賈巍(1974- )，男，河北省高邑縣人，高級工程師，從事水電站設計工作.

TV743；TU457

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.006