巴基斯坦某水電站深埋長(zhǎng)隧洞圍巖地質(zhì)參數(shù)論證分析

劉向飛, 張學(xué)東, 衣雪峰, 胡劍鋒

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

巴基斯坦某水電站深埋長(zhǎng)隧洞圍巖地質(zhì)參數(shù)論證分析

劉向飛, 張學(xué)東, 衣雪峰, 胡劍鋒

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

深埋長(zhǎng)隧洞是水電工程設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的建筑物形式,在整個(gè)工程的設(shè)計(jì)及施工中占據(jù)重要的地位,在勘察工作中,關(guān)于隧洞相關(guān)地質(zhì)參數(shù)的正確選取關(guān)系到能夠進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計(jì)以及施工階段順利組織施工。以巴基斯坦某水電站深埋長(zhǎng)隧洞為例,根據(jù)室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù),使用霍克—布朗準(zhǔn)則推求巖體力學(xué)參數(shù),并結(jié)合臨近N-J水電站工程隧洞段所采用的圍巖地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,綜合確定適用于擬建工程的圍巖地質(zhì)參數(shù)。

深埋長(zhǎng)隧洞;地質(zhì)參數(shù);霍克—布朗準(zhǔn)則

擬建水電站工程位于巴基斯坦北部山區(qū),采用引水式發(fā)電,設(shè)計(jì)水頭316 m,引水流量420 m3/s,隧洞樣式為平行雙洞,斷面呈圓形,直徑8.5 m,長(zhǎng)度17 900 m,隧洞埋深多為300～1 000 m,最大埋深為1 150 m,屬于深埋長(zhǎng)隧洞[1]。

深埋長(zhǎng)隧洞的設(shè)計(jì)是本工程的關(guān)鍵,為此采用霍克—布朗準(zhǔn)則、現(xiàn)行水電規(guī)范法及工程類比法綜合分析,最終給出隧洞圍巖地質(zhì)參數(shù)建議值。

1 基本工程地質(zhì)條件

1.1 地層巖性

隧洞穿越地區(qū)地層為第三系中新統(tǒng)Murree組和Kamlial組基巖地層,巖性主要以砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖及泥巖、劈理化泥巖為主。根據(jù)巖石的顏色、顆粒組成、粒徑大小、強(qiáng)度和工程性狀等的不同指標(biāo),將2種典型砂巖分為砂巖(SS1)和粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖(SS2)。該地區(qū)巖性組成多以砂巖(SS1)與粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖(SS2)和泥巖(M)構(gòu)成一個(gè)沉積韻律,Murree組和Kamlial組地層都是以多個(gè)這樣的沉積韻律形成。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧洞沿線為一系列的背斜和向斜交替發(fā)育,巖層總體走向?yàn)楸蔽?20°～330°,傾向NE或SW,以中等傾角為主。由于該區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)育,絕大部分巖層間發(fā)生過(guò)剪切滑動(dòng)。在SS1砂巖和SS2砂巖中的節(jié)理主要為中等發(fā)育,局部密集發(fā)育。

1.3 水文地質(zhì)

隧洞穿越部位地下水類型主要為淺層基巖裂隙潛水、深層基巖裂隙潛水及承壓水。淺層基巖裂隙潛水以大氣降水滲入補(bǔ)給為主,主要賦存于基巖卸荷帶—弱風(fēng)化帶上限范圍內(nèi);深層基巖裂隙潛水以淺層基巖裂隙水及地表徑流滲入補(bǔ)給為主,多賦存于向斜等大的儲(chǔ)水構(gòu)造中,可造成深埋隧洞開(kāi)挖過(guò)程中突、涌水等較大的工程危害。承壓水經(jīng)過(guò)初步勘察發(fā)現(xiàn)存在著向斜構(gòu)造承壓水、單斜構(gòu)造承壓水、斷層帶承壓水及塊狀巖體中的承壓水等,這些承壓水的水頭往往較高,含水層多屬于裂隙含水層。

1.4 地應(yīng)力

在隧洞沿線進(jìn)行了3個(gè)鉆孔的地應(yīng)力測(cè)試工作,三個(gè)鉆孔的測(cè)量結(jié)果均表明最大水平主應(yīng)力占主導(dǎo)地位,該工程區(qū)的水平構(gòu)造作用明顯。綜合分析,主導(dǎo)應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)為SH>Sh>SV(SH為最大水平主應(yīng)力,Sh為最小水平主應(yīng)力,SV為垂直主應(yīng)力)。

三個(gè)鉆孔實(shí)測(cè)所得到的測(cè)區(qū)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|70.3°～89°。根據(jù)隧洞沿線的地應(yīng)力預(yù)測(cè),最大水平主應(yīng)力為56.70 MPa(埋深約1 150 m)。

1.5 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì),得到的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 巖石物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical tables of the rock physical mechanics indexes

注:泥巖具有失水崩解和飽和狀態(tài)下泥化現(xiàn)象。

2 隧洞圍巖地質(zhì)參數(shù)論證

2.1 根據(jù)霍克—布朗準(zhǔn)則推求巖體力學(xué)參數(shù)

由霍克及霍克、凱撒和寶登提出的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)提供了一種評(píng)價(jià)在不同地質(zhì)條件下巖體強(qiáng)度降低的方法[2-3],利用霍克—布朗的Rocklab軟件,根據(jù)巖塊的試驗(yàn)成果和巖體的GSI值(Geological Strength Index,地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo))等信息大致推求巖體的力學(xué)參數(shù)。

推求過(guò)程中所需要的主要參數(shù)有巖塊單軸抗壓強(qiáng)度(σci)、巖塊變形模量(Ei)、巖石材料常數(shù)(mi)、開(kāi)挖擾動(dòng)系數(shù)(D)和地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(GSI)。擬建工程中所采用的參數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 霍克—布朗輸入?yún)?shù)取值Table 2 Hock-Brown parameters

利用地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(GSI)對(duì)巖體進(jìn)行描述,GSI取值可以根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)面性狀確定,根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪及沿線鉆孔揭露情況,針對(duì)輸水隧洞圍巖巖體、巖層厚度、巖體中節(jié)理組的數(shù)量和發(fā)育頻率,發(fā)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)多為中厚層—厚層結(jié)構(gòu),屬于“塊狀”或“碎塊狀”結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)面多閉合、微風(fēng)化—新鮮,性狀多為“好”—“一般”,屬于Ⅱ-Ⅲ類圍巖,地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI可取45～75。部分段由于受緊閉褶皺或斷層影響,為鑲嵌結(jié)構(gòu)—塊裂結(jié)構(gòu),屬于“塊狀/擾動(dòng)/咬合”或“碎裂體”結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)面多閉合,性狀多為“一般”,局部有泥質(zhì)充填物,一般為Ⅳ類圍巖,地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI可取25～35。對(duì)于糜棱化的泥質(zhì)粉砂巖,為碎裂結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)于“糜棱狀/經(jīng)受過(guò)剪切”結(jié)構(gòu),地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI取5～20。

根據(jù)GSI值和開(kāi)挖擾動(dòng)系數(shù)D計(jì)算霍克—布朗參數(shù)mb、s、a[4],計(jì)算公式分別為:

(1)

(2)

(3)

(4)

σc=σcisa

(5)

(6)

根據(jù)Ei、GSI值和D計(jì)算巖體模量Erm,公式如下:

(7)

(8)

(9)

計(jì)算不同埋深下,當(dāng)隧洞圍巖達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí),巖體有效內(nèi)摩擦角和有效凝聚力:

(10)

(11)

通過(guò)以上公式,計(jì)算可得到深度1 100 m處典型Ⅲ類圍巖在鉆爆法開(kāi)挖情況下的巖體參數(shù)(見(jiàn)表3)。

2.2 根據(jù)現(xiàn)行水電規(guī)范法確定巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《水電水利工程地下建筑物工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)范》[5]給出的各類圍巖主要物理力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值,見(jiàn)表4。

2.3 工程類比法

附近在建N-J水電工程隧洞段距離擬建隧洞距離約5～12 km,地質(zhì)構(gòu)造、巖性等工程地質(zhì)條件類似,2014年—2015年,中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所對(duì)N-J工程隧洞(TBM開(kāi)挖段)圍巖取樣進(jìn)行了系統(tǒng)研究。給出四種不同巖性的巖樣力學(xué)建議值,見(jiàn)表5。

表3 霍克—布朗準(zhǔn)則推求擬建工程巖體力學(xué)參數(shù)結(jié)果Table 3 Rock mechanical parameters fitted by Hock-Brown criterion

表4 各類圍巖主要物理力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值Table 4 Empirical values of main physical mechanics parameters for surrounding rock

采用霍克—布朗準(zhǔn)則推求N-J工程引水隧洞段的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表6(深度1 100 m處典型Ⅲ類圍巖)。

2.4 綜合分析

根據(jù)以上分析綜合確定隧洞地下洞室的巖石(體)物理力學(xué)指標(biāo)建議值,見(jiàn)表7。

3 結(jié)論

由于受試驗(yàn)條件、計(jì)算公式及邊界條件的影響,根據(jù)室內(nèi)巖石試驗(yàn)、原位試驗(yàn)成果,采用霍克—布朗準(zhǔn)則推算出的隧洞不同埋深段巖體的力學(xué)參數(shù)分析結(jié)果與現(xiàn)行水電規(guī)范法給出的各類圍巖主要物理力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值部分參數(shù)存在較大差異,但采用霍克—布朗準(zhǔn)則推算隧洞不同埋深位置的巖體力學(xué)參數(shù)這一特點(diǎn)對(duì)于工程設(shè)計(jì)具有更強(qiáng)的實(shí)際意義,而在此基礎(chǔ)上參考臨近水電工程使用工程類比法綜合分析可以進(jìn)一步可靠地確定隧洞各類圍巖的地質(zhì)參數(shù)。

表5 N-J項(xiàng)目TBM施工段不同巖性力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值及建議值Table 5 Actual and suggested values for various rock mechanical parameters at TBM construction in N-J project

表6 霍克—布朗準(zhǔn)則推求N-J工程巖體力學(xué)參數(shù)結(jié)果Table 6 Rock mechanical values derived from Hock-Brown criterion

表7 擬建工程隧洞段各類圍巖指標(biāo)建議值Table 7 Suggested values of surrounding rock indexes at the tunnel in the proposed project

[1] 中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部. 水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范:GB 50487—2008[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2009.

[2] Evert Hoek.實(shí)用巖石工程技術(shù)[M].鄭州：黃河水利出版社,2002.

[3] E.Hoek,P.K.Kaiser,W.F.Bawden.Support of underground excavations in hard rock[M].Rotterdam,Netherlands:A.A.Balkema,1995.

[4] 黃達(dá),黃潤(rùn)秋,張永興.基于改進(jìn)GSI體系確定三峽地下廠房圍巖等效變形模量及強(qiáng)度[J].地球科學(xué)——中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,34(6):1031-1032.

[5] 中華人民共和國(guó)國(guó)家能源局.水電水利工程地下建筑物工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)范:DL/T 5415—2009[S].北京:中國(guó)電力出版社,2009.

(責(zé)任編輯：費(fèi)雯麗)

Demonstration Analysis of Geological Parameters of Surrounding Rock inDeep-lying Tunnel of a Hydropower Station in Pakistan

LIU Xiangfei, ZHANG Xuedong, YI Xuefeng, HU Jianfeng

(BeiFangInvestigation,Design&ResearchCo.Ltd,TianjinChina300222)

The deep-lying tunnel,a common form in hydropower engineering design,occupies an important position in the design and construction of the whole project. During the investigation,a correct selection of relevant geological parameters is the key to realize optimum design and smooth construction. Using the deep-lying tunnel of a hydropower station in Pakistan as an example,Hock-Brown criterion is developed for calculating rock mechanical parameter according to the experimental results of the rock physical mechanics. Then,comparisons with geotechnical parameters of the tunnel in the adjacent N-J hydropower project synthetically determine geotechnical parameters of surrounding rock at the tunnel in the proposed project.

deep-lying tunnel; geological parameters; Hock-Brown criterion

2017-06-05;改回日期:2017-06-22

劉向飛(1986-),男,工程師,碩士,地質(zhì)工程專業(yè),從事水利水電、巖土工程勘察工作。E-mail:gdfyhao@163.com

TV554

A

1671-1211(2017)04-0420-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.015

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1344.030.html 數(shù)字出版日期:2017-06-20 13:44