某電站地下廠房裂隙發(fā)育規(guī)律及其對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

李志遠(yuǎn),宮海靈,張永輝,李 璞

中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024

0 引言

抽水蓄能電站地下廠房多位于山體內(nèi)部，屬大跨度的地下洞室，其圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題是工程地質(zhì)研究的重點(diǎn)。地下廠房位置選擇及軸線方向確定時(shí)往往優(yōu)先規(guī)避規(guī)模較大、性狀較差、對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大的控制性結(jié)構(gòu)面，而對(duì)分布廣泛、延伸較短小的裂隙結(jié)構(gòu)面采取工程支護(hù)措施。在廠房開挖過(guò)程中，裂隙巖體原始的靜力平衡狀態(tài)被打破，局部塊體沿結(jié)構(gòu)面滑移并發(fā)生脫落，其失穩(wěn)模式符合石根華[1]與R. E. Goodman等[2]提出的塊體理論[3-5]，因此，準(zhǔn)確把握構(gòu)成塊體的結(jié)構(gòu)面組合及其發(fā)育位置是分析圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵。但是，抽水蓄能電站勘探平洞的位置大多位于廠房頂拱幾十至上百米的位置，為了在廠房開挖之前較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)裂隙發(fā)育情況，需對(duì)勘探平洞的裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究。根據(jù)秦啟榮等[6]對(duì)構(gòu)造裂隙的類型劃分及預(yù)測(cè)研究，巖體中構(gòu)造裂隙根據(jù)其成因不同，其空間分布具有一定的規(guī)律性，地表揭露裂隙的發(fā)育規(guī)律與深部巖體的發(fā)育規(guī)律基本一致，利用裂隙與構(gòu)造的空間幾何關(guān)系，可以對(duì)不同構(gòu)造部位的裂隙進(jìn)行預(yù)測(cè)[7-8]。

本文以某抽水蓄能電站為例，對(duì)平洞揭露的裂隙及構(gòu)造進(jìn)行分析，以確定裂隙發(fā)育與構(gòu)造的規(guī)律性關(guān)系、預(yù)測(cè)廠房位置的塊體組合，并利用Unwedge程序確定塊體可能出現(xiàn)的位置，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 工程概況

某抽水蓄能電站位于山東省濰坊市臨朐縣境內(nèi)，工程由上水庫(kù)、下水庫(kù)和輸水發(fā)電系統(tǒng)組成，其中上水庫(kù)正常蓄水位為628 m，下水庫(kù)正常蓄水位為289 m，額定水頭330 m，總裝機(jī)容量為1 200 MW。輸水發(fā)電系統(tǒng)位于上、下水庫(kù)之間的山體內(nèi)，采用一管二機(jī)布置，地下廠房位于輸水系統(tǒng)首部，底板高程182.5 m，尺寸約為173 m×26 m×54.5 m(長(zhǎng)×寬×高)，廠房軸線方向NE48°，探洞方向與廠房軸向方向相同，底板高程為307 m，位于廠房頂拱之上約70 m。

廠房區(qū)圍巖巖性為微風(fēng)化燕山晚期巨斑狀二長(zhǎng)斑巖，上覆巖體厚度229～313 m，圍巖呈塊狀―次塊狀構(gòu)造，圍巖類別以Ⅲ類為主，斷層及其影響帶圍巖類別為Ⅳ―Ⅴ類。廠房區(qū)發(fā)育多條斷層構(gòu)造，其中的F18、F19、F20、F26和F28規(guī)模較大、性狀較差，廠房位置選取過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行了規(guī)避。F18、F20為廠房西北側(cè)構(gòu)造邊界；F19為廠房西南側(cè)構(gòu)造邊界；F26、F28為廠房東側(cè)構(gòu)造邊界，廠房布置在由上述斷層圍成的地質(zhì)單元內(nèi)(圖1)。廠房區(qū)最大水平主應(yīng)力值為8.83～12.04 MPa，屬于中低應(yīng)力場(chǎng)，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E52°―NE76°。

圖1 廠房區(qū)探洞底板高程平切圖Fig.1 Flat cutting diagram of floor height of the exploratory hole in the plant area

2 裂隙發(fā)育規(guī)律

以右支洞底為起點(diǎn)到左支洞樁號(hào)150為止，將283 m長(zhǎng)探洞內(nèi)的432條裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)裂隙走向分布規(guī)律將其分為A、B、C、D、E 5個(gè)區(qū)域(圖2)。該范圍內(nèi)探洞揭露斷層F21、F24、F25和節(jié)理密集帶J16，構(gòu)造發(fā)育位置與裂隙分區(qū)邊界較接近，距離在10 m范圍內(nèi)，表明裂隙發(fā)育規(guī)律受構(gòu)造控制。

A區(qū)主要位于F21上盤，探洞段長(zhǎng)約45.6 m，共揭露81條裂隙，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，主要發(fā)育2組優(yōu)勢(shì)裂隙(①NW356°―NE7° SW(NW)∠61°～70°，②NW337°―NW346° SW∠71°～78°)和2組隨機(jī)裂隙(③NW296° NE∠59°，④NE40° SE∠69°)(圖3a)。

F21斷層寬0.20～0.50 m，巖屑夾泥型，產(chǎn)狀為NW350°SW∠88°，與優(yōu)勢(shì)裂隙走向接近，表明F21與A區(qū)優(yōu)勢(shì)裂隙在同一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下形成。

B區(qū)主要位于F21和F24之間，探洞段長(zhǎng)約71.7 m，共揭露151條裂隙，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，主要發(fā)育4組優(yōu)勢(shì)裂隙(圖3b)：①NW270°―NW280° SW(NE)∠80°～88°；②NE58°―NE73° SE∠67°～81°；③NE47°―NE65° NW∠37°～55°；④NE50°―NE60° NW∠79°～89°。

F24斷層寬0.10～0.20 m，巖塊巖屑型，產(chǎn)狀為NE14°NW∠88°，主探洞揭露F24斷層上盤密集發(fā)育多條NE―NEE向的中陡傾角構(gòu)造，分別為斷層F22、F23和節(jié)理密集帶J8、J9。其中J8和J9被F24控制，F(xiàn)22、F23與F24斜交。B區(qū)裂隙發(fā)育受上述構(gòu)造的影響，以NE―近EW向?yàn)橹鳎鶕?jù)工程區(qū)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)，NE―近EW向結(jié)構(gòu)面多與近SN向結(jié)構(gòu)面斜角，呈剖面X型。其中，NE―近EW向結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度及規(guī)模較小，局部受近SN向結(jié)構(gòu)面控制。因此，B區(qū)優(yōu)勢(shì)裂隙屬于F24和F21斷層間的局部性構(gòu)造裂隙。

C區(qū)主要位于F24和F25之間，探洞段長(zhǎng)約55.1 m，共揭露72條裂隙，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，主要發(fā)育3組優(yōu)勢(shì)裂隙(①NW274°―NW286° SW∠71°～86°，②NE62°―NE73° SE∠60°～69°，③NE5°―NE16° NW∠77°～87°)和2組隨機(jī)裂隙(④NE63° NW∠37°，⑤NE36° SE∠63°)(圖3c)。其中，NNE向裂隙延伸較長(zhǎng)，NWW和NEE向裂隙延伸較短。

F25斷層寬0.10～0.15 m，巖屑夾泥型，產(chǎn)狀為NE15°NW∠70°，斷層兩側(cè)發(fā)育多條平行裂隙，對(duì)NWW和NEE向裂隙起控制作用。因此，C區(qū)優(yōu)勢(shì)裂隙屬于F24和F25斷層間的局部性構(gòu)造裂隙。

D區(qū)主要位于F25和J16之間，探洞段長(zhǎng)約47.0 m，共揭露61條裂隙，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，主要發(fā)育3組優(yōu)勢(shì)裂隙(圖3d)：①NW326°―NW343° SW(NE)∠81°―89°；②NE18°―NE30° NW∠65°―78°；③NW294°―NW303° SW∠62°―73°。

E區(qū)主要位于J16下盤，探洞段長(zhǎng)約63.6 m，共揭露67條裂隙，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，主要發(fā)育1組優(yōu)勢(shì)裂隙(①NE10°―NE25° NW∠66°―80°)和1組隨機(jī)裂隙(②NW315° SW∠67°)(圖3e)。

J16帶寬5.00 m，裂隙間距3.00～8.00 cm，產(chǎn)狀為NE20°～30°NW∠75°。D區(qū)優(yōu)勢(shì)裂隙與J16斜交，呈剖面X型；E區(qū)優(yōu)勢(shì)裂隙與J16產(chǎn)狀接近，為同一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下形成。

綜上所述，廠房區(qū)構(gòu)造及其影響帶的分布對(duì)裂隙發(fā)育起到控制性作用，構(gòu)造產(chǎn)狀以NNW和NNE向(近SN向)為主。A區(qū)和E區(qū)優(yōu)勢(shì)裂隙與構(gòu)造產(chǎn)狀接近，為同一應(yīng)力期形成，B、C、D區(qū)優(yōu)勢(shì)裂隙與構(gòu)造產(chǎn)狀斜交，呈剖面X型；各區(qū)優(yōu)勢(shì)裂隙走向各不相同，表明應(yīng)力方向發(fā)生多次變化，廠房區(qū)裂隙屬多期構(gòu)造產(chǎn)物。廠房區(qū)結(jié)構(gòu)面多在構(gòu)造剪切應(yīng)力下形成，具有裂面平直、產(chǎn)狀穩(wěn)定的特點(diǎn)。因此，根據(jù)控制性構(gòu)造的產(chǎn)狀及其與廠房位置的空間幾何關(guān)系，可以推測(cè)探洞裂隙分區(qū)在廠房的具體對(duì)應(yīng)位置，如圖4所示。

圖2 廠房探洞裂隙走向分區(qū)圖Fig.2 Patition diagram of the fracture strike in the exploratory hole of the plant

a. A區(qū)；b. B區(qū)；c. C區(qū)；d. D區(qū)；e. E區(qū)。圖3 各分區(qū)裂隙等密度圖Fig.3 Isodensity diagram of fracture in each zone

圖4 廠房構(gòu)造分區(qū)示意圖Fig.4 Schematic diagram of tectonic division of the plant

3 圍巖穩(wěn)定性分析

裂隙巖體內(nèi)地下廠房的圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題主要以局部塊體失穩(wěn)為主，廠房區(qū)受構(gòu)造作用影響存在多種裂隙組合。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，圍巖穩(wěn)定性分析除了對(duì)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行關(guān)注外，某些發(fā)育數(shù)量較少、但產(chǎn)狀和性狀不利的結(jié)構(gòu)面也不容忽視。本文以優(yōu)勢(shì)裂隙為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮對(duì)圍巖穩(wěn)定影響較大的隨機(jī)裂隙，利用加拿大多倫多大學(xué)E. Hoek等開發(fā)的Unwedge程序[9]對(duì)某電站廠房各分區(qū)不同裂隙組合下可能存在的塊體進(jìn)行搜索，并判斷其穩(wěn)定性[10-14]。

Unwedge程序主要以塊體理論為依據(jù)，基于如下假定：塊體是由結(jié)構(gòu)面相互切割形成的四面體，即由3組結(jié)構(gòu)面和開挖臨空面組成；所有結(jié)構(gòu)面為平面，巖體的變形僅為結(jié)構(gòu)面的變形，結(jié)構(gòu)體為剛體，結(jié)構(gòu)面貫穿研究區(qū)域，且在保持產(chǎn)狀不變的情況下可以任意移動(dòng)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)成果，研究區(qū)圍巖飽和密度為2.59 g/cm3，剛性結(jié)構(gòu)面黏聚力為0 kPa，內(nèi)摩擦角為31°，抗拉強(qiáng)度為0 MPa，設(shè)定裂隙在開挖面的出露長(zhǎng)度為10 m，安全系數(shù)設(shè)定為1.5。根據(jù)表1裂隙發(fā)育規(guī)律，對(duì)廠房各分區(qū)內(nèi)裂隙組合進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如下：

由于臨空面方向不同，各組裂隙形成的潛在不穩(wěn)定塊體多位于廠房頂拱和上、下游邊墻。廠房底板處形成的塊體呈倒楔形嵌入基巖，在重力作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)，本文不對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)論述。

A區(qū)以①②組優(yōu)勢(shì)裂隙為基礎(chǔ)，結(jié)合④組隨機(jī)裂隙共形成3處潛在不穩(wěn)定塊體(圖5a)：下游邊墻處5s號(hào)塊體質(zhì)量2.52×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.74；上游邊墻處4s號(hào)塊體質(zhì)量2.52×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為1.46；頂拱處6s號(hào)塊體質(zhì)量6.79×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.17。

a. A區(qū)①②④；b. B區(qū)①②③；c. B區(qū)①②④；d. B區(qū)①③④；e. C區(qū)①②③；f. C區(qū)①④⑤；g. D區(qū)①②③；h. E區(qū)①②；i. E區(qū)端墻①②。圖5 各分區(qū)裂隙組合下塊體分布示意圖Fig.5 Schematic diagram of block distribution under each partition fracture combination

B區(qū)以①②③組優(yōu)勢(shì)裂隙為組合共形成2處潛在不穩(wěn)定塊體(圖5b)：下游邊墻處6s號(hào)塊體質(zhì)量8.08×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為1.08；頂拱處4s號(hào)塊體質(zhì)量3.74×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.06。此外，圖5b 中的3s雖然位于上游邊墻處，但其呈倒楔型體嵌入，屬于穩(wěn)定塊體。以①②④組優(yōu)勢(shì)裂隙為組合共形成3處潛在不穩(wěn)定塊體(圖5c)：下游邊墻處6s號(hào)塊體質(zhì)量3.74×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為1.08；頂拱處4s號(hào)塊體質(zhì)量5.84×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.06；上游邊墻處3s號(hào)塊體質(zhì)量3.73×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.61。以①③④組優(yōu)勢(shì)裂隙為組合，共形成3處潛在不穩(wěn)定塊體(圖5d)：上游邊墻處3s號(hào)塊體質(zhì)量4.6×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.61；頂拱處7s號(hào)塊體質(zhì)量2.48×103kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.07；頂拱處8s號(hào)塊體質(zhì)量2.53×103kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0。

C區(qū)以①②③組優(yōu)勢(shì)裂隙為組合，在頂拱處形成1處潛在不穩(wěn)定塊體(圖5e)：4s號(hào)塊體質(zhì)量3.47×105kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.12。以①組優(yōu)勢(shì)裂隙與④⑤組隨機(jī)裂隙為組合共形成4處潛在不穩(wěn)定塊體(圖5f)：下游邊墻處3s號(hào)塊體質(zhì)量1.08×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.31；上游邊墻處6s號(hào)塊體質(zhì)量1.08×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.80；頂拱處7s號(hào)塊體質(zhì)量1.91×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.41；頂拱處8s號(hào)塊體質(zhì)量6.33×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0。

D區(qū)以①②③組優(yōu)勢(shì)裂隙為組合共形成3處潛在不穩(wěn)定塊體(圖5g)：上游邊墻處2s號(hào)塊體質(zhì)量1.07×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.21；下游邊墻處7s號(hào)塊體質(zhì)量1.07×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.53；頂拱處6s號(hào)塊體質(zhì)量3.91×105kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.06。

E區(qū)以①組優(yōu)勢(shì)裂隙內(nèi)的兩條裂隙和②組隨機(jī)裂隙為組合共形成4處潛在不穩(wěn)定塊體(圖5h，i)：上游邊墻處2s號(hào)塊體質(zhì)量2.8×103kg，穩(wěn)定性系數(shù)0.27；下游邊墻處7s號(hào)塊體質(zhì)量2.8×103kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.28；頂拱處4s號(hào)塊體質(zhì)量1.90×105kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.12；右端墻處10s號(hào)塊體質(zhì)量3.02×104kg，穩(wěn)定性系數(shù)為0.24。

綜上所述，廠房區(qū)上、下游側(cè)邊墻各形成6處潛在不穩(wěn)定塊體，頂拱處形成10處潛在不穩(wěn)定塊體，右端墻處形成1塊潛在不穩(wěn)定塊體，塊體穩(wěn)定性系數(shù)多數(shù)小于1.00，屬于關(guān)鍵塊體，需采取支護(hù)措施。

4 結(jié)論與建議

1)研究區(qū)裂隙分布具有一定的方向性，根據(jù)其走向分布規(guī)律將廠房區(qū)劃分為A、B、C、D、E 5個(gè)區(qū)域。

2)廠房區(qū)構(gòu)造及其影響帶的分布對(duì)裂隙發(fā)育起到控制性作用，構(gòu)造裂隙在多期應(yīng)力場(chǎng)下形成，以剪節(jié)理為主，裂面平直，產(chǎn)狀穩(wěn)定，根據(jù)控制性構(gòu)造的產(chǎn)狀將平洞裂隙分區(qū)對(duì)應(yīng)到廠房位置。

3)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，圍巖穩(wěn)定性除受優(yōu)勢(shì)裂隙控制外，產(chǎn)狀及性狀不利的少量隨機(jī)裂隙的影響也較大，應(yīng)將其與優(yōu)勢(shì)裂隙一同進(jìn)行分析。

4)利用Unwedge程序?qū)S房各分區(qū)不同裂隙組合下可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行計(jì)算分析，在上、下游側(cè)邊墻各形成6處潛在不穩(wěn)定塊體，頂拱處形成10處潛在不穩(wěn)定塊體，右端墻處形成1塊潛在不穩(wěn)定塊體。

5)計(jì)算結(jié)果對(duì)工程支護(hù)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值，但由于裂隙發(fā)育具有隨機(jī)性，不同產(chǎn)狀的裂隙具有多種組合形式，本文得到的潛在不穩(wěn)定塊體不能完全代表實(shí)際情況，需在廠房開挖過(guò)程中對(duì)實(shí)際揭露的裂隙進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析。