Unwedge程序在水利工程塊體穩定性分析中的應用

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定性分析中的應用

陳 秀 蕓

(萊西市大沽河管理所，山東 青島 266000)

結合楊房溝水利工程地下廠房洞室群結構面及優勢節理展布特征，并利用Unwedge軟件，對地下廠房的巖體穩定性進行了研究，結果表明，Unwedge在潛在失穩塊體的分析中具有較高的實際應用價值。

Unwedge，塊體理論，巖石穩定分析

0 引言

在開挖地下洞室的過程中，形成的臨空面有可能導致某些巖體喪失原有的穩定，使之沿著結構面掉落或滑落，嚴重的會引起整個洞室巖體的坍塌。根據已有的工程經驗，在洞室開挖工程中最主要失穩模式為巖石塊體的失穩。故在工程中掌握洞室巖體的失穩形式、主要的巖石塊體的結構形式、不利的巖體組合等是很有必要的，掌握這項有助于我們確定采用何種支護形式，使采用的支護措施最有針對性也最有效[1]。

一般我們會先研究洞室巖體失穩的影響因素和失穩模式[2]，以便于確定在開挖過程中的合理有效的支護形式。Unwedge是在塊體理論的基礎上開發的用于塊體穩定分析的程序。并作如下假定：塊體是由結構面在巖體進行切割而成的空間四面體，其4個面為 開挖臨空面和3組在巖體內的結構面；忽視地應力的影響，單單考慮結構面的力學性質并研究塊體在重力作用下的穩定；結構體為剛體，巖體的變形僅發生在結構面的平面上且假設結構面表面為平面；研究區域被結構面所貫穿，且結構面在保持產狀不變的情況下，能夠在研究區域內任意移動；洞體開挖斷面的軸徑方向始終不變；每次分析中最多只有3組結構面參與組合。該程序適用于在各類較堅硬的裂隙巖體的工程開挖中的巖體穩定分析，程序分析時會自動根據輸入的參數生成最大可能的楔形塊體，同時計算出該楔形塊體的安全系數[4]。用戶對所形成的塊體進行篩選和進一步的分析時可根據結構面的實際出露情況進行，以評價圍巖的穩定性及洞室的合理走向。該程序采用安全系數F.S(The factor of safety)來表征塊體穩定性。同時軟件建議的安全系數應大于1.5～2.0，1.5為臨時的洞體安全系數推薦值，2.0為永久洞體的推薦值。安全系數F.S，由式(1)計算得出：

(1)

本文要討論的楊房溝水利工程是規劃中的位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內的雅礱江中游河段上的第6級水電站。庫容為5.124 8億m3，為一等大(1)型等級重大工程。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，距離進水口150 m左右，廠房縱軸線方位為N5°E，引水隧洞高壓管道的軸線與之垂直。該水利工程安裝4臺容量為375 MW的發電機組，總裝機容量1 500 MW。廠區建筑物由三大洞室(主變洞、尾水調壓室、主副廠房洞)及輔助洞室組成。其中主副廠房洞室長×寬×高的尺寸分別為228.5 m×30 m×75.57 m，布置4個機組段，機組之間的間距為32.0 m。地下廠房分布著由斷層、巖脈、擠壓破碎帶、節理裂隙引起的不穩定塊體。具體形式為失穩塊體的掉落和滑落,以及在開挖過程中不多的輕微巖爆現象。

本文結合已有的現場地質勘察，通過Unwedge(3.0)程序對地下廠房可能存在的失穩塊體以及所在位置進行統計分析，評價洞室內各不穩定塊體的穩定性。為下一步的開挖支護提供預測預報。

1 廠房洞室群結構面及優勢節理展布特征

根據楊房溝地質報告的統計，廠房洞室群發育13條Ⅳ級結構面，其中10條通過廠房開挖區域。此外，洞室發育著3組主要優勢節理。廠區3組優勢節理以中等傾角和陡傾角為主，優勢節理面一般為新鮮或無充填型。有5條Ⅳ結構面分布在主廠房所在區域。分別為f47-17，f47-18，f47-22，f47-23和f47-25，這5條Ⅳ級結構面總體上與廠房軸線大角度相交。3組優勢節理與該5條Ⅳ結構面的赤平投影如圖1所示。主要的Ⅳ結構面和優勢節理的產狀、寬度及巖石特性如表1所示[5]。

表1 廠房洞室群區域的Ⅳ結構面與優勢節理統計

編號產狀寬度/cm特性f47-17N40°E;SE∠75°～80°2～8帶內為蝕變巖、碎塊巖,呈強風化狀,面平直光滑f47-18N60°W;NE∠55°～60°3～5帶內為蝕變巖、碎塊巖、巖屑,面起伏光滑f47-22N40°W;SW∠60°10～15帶內為碎塊巖、巖屑、石英,弱風化狀,面平直粗糙f47-23N45°W;NE∠75°3～5帶內為碎裂巖、擠壓片狀巖、巖屑,面起伏粗糙,充填石英,沿結構面滴水f47-25N10°E;NW∠70°3～5帶內為碎塊巖、巖屑、石英,弱風化狀,面起伏粗糙優勢節理①N17°E;NW∠75°優勢節理②N89°E;SE∠45°優勢節理③N72°W;SW∠30°

2 軟件分析結果

2.1 隨機塊體破壞模式

優勢節理①與廠房洞室軸線小角度相交，傾角75°；優勢節理②和③走向與廠房軸線大角度相交。這3組節理在頂拱和邊墻都可能組成隨機塊體，其在頂拱與邊墻的破壞形式如圖2所示。

從圖2可知，3組優勢節理在頂拱部位組合成的潛在塊體以塌落破壞為主，潛在失穩塊體的規模主要受控于優勢節理的實際出露跡長。經Unwedge軟件分析得出了優勢節理不同最大出露跡長條件下頂拱潛在塌落塊體的體積(3組優勢節理取相同出露跡值)，統計結果見表2。可以看出，頂拱的隨機塊體的體積一般小于1 m3。同樣的，3組優勢節理在上游側和下游側邊墻組成單滑面或雙滑面塊體，潛在失穩塊體的規模也主要受控于優勢節理實際出露的跡長。表3也給出了邊墻在不同最大出露跡長條件下邊墻的潛在塌落塊體的體積，可看出兩側邊墻的隨機雙滑面塊體的體積小于15 m3。

表2 結構面跡長的敏感性分析

根據廠房地質的調查，3組優勢節理的性狀總體較好，地質建議的結構面的抗剪斷強度f值為0.60～0.65，粘聚力為0.05 MPa～0.15 MPa。按抗剪斷強度，絕大部分隨機塊體總體上能夠自穩。實際開挖過程中，隨機節理的力學參數具有空間變化性，另外爆破沖擊也可能導致組成塊體的優勢節理面失去粘聚力，進而導致部分隨機塊體成為潛在失穩塊體。實際施工中，爆破后的一期支護(或隨機支護)需要采用錨桿對潛在失穩塊體進行針對性的錨固。

2.2 廠房半定位塊體破壞模式

通過地下洞室塊體分析軟件可以研究確定性的Ⅳ級結構面與優勢節理組合而成的半定位塊體分布特征。與前面隨機塊體的研究相一致，半定位塊體的體積與優勢節理在開挖面附近的出露跡長相關，因此具有一定的不確定性，本次分析優勢節理的出露跡長取12 m，另外，成果整理時對于體積小于1 m3的潛在失穩塊體不予以統計。

2.2.1 廠房頂拱

主廠房區域Ⅳ結構面與優勢節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與優勢節理①組合而成的半定位塊體，該半定位塊體體積為23.61 m3，安全系數為3.02，開挖過程中需要及時支護。

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

主廠房區域Ⅳ結構面與優勢節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中結果可以看出，施工過程中需要注意f47-23，f47-25與優勢節理組②所形成的半定位塊體，體積為68.01 m3，該塊體安全系數為10.33，開挖揭露后需要及時支護。

3 結語

1)根據Unwedge程序分析，楊房溝水電站3組優勢節理的性狀總體較好，其形成的隨機塊體潛在塌落體積較小；

2)根據Unwedge程序分析，楊房溝水電站頂拱部位f47-18，f47-22與優勢節理①組合而成的半定位塊體安全系數較低，開挖時需及時支護；

3)在地下洞室開挖分析中，可利用基于塊體理論的Unwedge程序對地下洞室進行潛在失穩塊體的分析，從而快速準確地獲得塊體的潛在塌落體積及巖體可能的破壞模式。可用于指導實際工程建設。

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

[2] 盧書強.巖體質量對地下洞室圍巖穩定性的影響[J].地球與環境,2005,33(b10):319-324.

[3] 朱玉龍，徐娟花.Unwedge程序在隧道圍巖穩定性分析中的應用[J].工程地質計算機應用,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定分析[J].巖石力學與工程學報,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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