埃塞俄比亞GD-3水電站地下廠房圍巖楔體穩(wěn)定性與支護計算

朱望初

(中南勘測設計研究院,湖南長沙 410014)

埃塞俄比亞GD-3水電站地下廠房圍巖楔體穩(wěn)定性與支護計算

朱望初

(中南勘測設計研究院,湖南長沙 410014)

GD-3水電站為長引水式電站,廠房采用地下式。本電站為EPC總承包項目,美國美華美大公司(MWH)擔任業(yè)主代表,負責對所有設計文件的審批。本報告采用的計算方法和參數(shù)都采用國際通用標準。根據(jù)已有的地質(zhì)資料和相關試驗參數(shù),對對地下廠房可能存在的楔形體的穩(wěn)定性進行計算,并通過計算對可能存在的不穩(wěn)定塊體提出支護建議,為廠房的支護設計提供參考。

圍巖 軟弱結構面 楔形體 穩(wěn)定系數(shù) 支護

1 工程簡介

GD-3水電站位于埃塞俄比亞南部，電站裝機規(guī)模254MW。大壩為混凝土面板堆石壩，壩高110m，發(fā)電水頭280m，輸水線路長約15km。廠房形式為地下式，廠區(qū)洞室群主要包括地下廠房和主變室等，其中地下廠房跨度為94m×25m×52m(長×寬×高)。

2 基本地質(zhì)條件

地下廠房為太古代地層，巖性主要為片巖夾少量偉晶巖。沒有影響洞室整體穩(wěn)定的大斷層和蝕變帶。片巖層理產(chǎn)狀：290°～350°/SW∠40°～70°。有以下幾組優(yōu)勢節(jié)理面：(1)305°/NE∠80°～85°；(2)330°～335°/NE∠75°～80°；(3)285°～290°/SW、NE∠75°～90°。圍巖完整性好，平均RQD75%～90%。巖體質(zhì)量指標(RMR)大多為66～74，主要為Ⅱ類圍巖；節(jié)理裂隙較發(fā)育的部位，RMR為40～60，為Ⅲ類圍巖；但不排除存在Ⅳ類圍巖的可能。本洞室主要位于工程新鮮巖體，巖石和結構面地質(zhì)參數(shù)見表見表2-1。

3 分析與研究內(nèi)容

3.1 計算分析目的

根據(jù)已有資料，對主廠房頂拱、側墻和邊墻存在的潛在楔形體進行穩(wěn)定性計算和研究，以達到以下目的：(1)為工程施工地質(zhì)巡視、判斷和超前預報各局部穩(wěn)定提供參考理論依據(jù)，對洞室圍巖穩(wěn)定性作出初步評價。(2)對結構面組合的楔形塊體通過計算分析，評價其穩(wěn)定性。(3)對地下廠房提出有針對性的建議支護措施，確保地下洞室群的施工安全和圍巖的穩(wěn)定。

3.2 計算分析內(nèi)容

本工程采用Unwedge3.0和Dips程序進行計算，綜合分析研究各地下洞室頂拱和側壁的楔形體的穩(wěn)定，進行洞室群圍巖穩(wěn)定性分析評價并計算所需提供的支護參數(shù)。

(1)計算方法的選擇：目前地下洞室圍巖塊體穩(wěn)定性分析軟件雖然較多，但應用較為廣泛的為加拿大Toronto大學E.Hoek等依據(jù)石根華塊體理論研制開發(fā)的UNWEDGE分析軟件，因此本工程借助于該軟件對地下洞室群圍巖結構面組合的楔形塊體穩(wěn)定性進行計算分析。(2)計算假定條件：Unwedge軟件適用于分析在堅硬的巖石施工開挖圍巖楔形體失穩(wěn)，但不會發(fā)生洞室圍巖的整體失穩(wěn)。結構面組合切割形成的楔形塊體為四面體。如果分析區(qū)域有三組以上結構面，本計算軟件將考慮其中三組結構面的組合。不考慮地應力和地下水的作用。假設構成楔形體為剛體。組成楔形體的結構面貫穿研究區(qū)域，長度大于楔形體，且在保持產(chǎn)狀不變的情況下可任意移動；因此，構成楔形體的結構面不會終止楔形體內(nèi)。沒有其它結構面影響楔形體的變形失穩(wěn)。認為這些結構面是普遍存在的，他們可以隨機的出現(xiàn)在圍巖巖體中的任何位置。假定地下洞室開挖斷面沿其軸線為等截面。

表2-1 廠房主要地質(zhì)參數(shù)建議值

4 地下洞室群圍巖塊體穩(wěn)定性計算

本次對地下廠房圍巖塊體穩(wěn)定性分析所運用到的軟件為Unwedge3.0程序。Unwedge(3.0)程序是一款簡易的交互式塊體穩(wěn)定分析軟件，能對圍巖塊體穩(wěn)定進行定量分析。

洞室圍巖塊體穩(wěn)定性分析：

廠區(qū)巖性主要為片巖，片理產(chǎn)狀：290°～350°/SW∠40°～70°。大部分沿層理結合緊密，部分沿層面相對較弱，存在云母夾層密集現(xiàn)象，局部潮濕。廠房頂拱中導洞內(nèi)主要4處，都位于廠房西半部。(1)LF1：330°/SW∠45°；(2)LF2：350°/SW∠45°；(3)LF3：30°/SW∠50°；(4)LF3：320°/SW∠50°。根據(jù)主廠房中導洞和周邊洞室揭露的片理產(chǎn)狀，在進行楔體計算時，層間弱面的產(chǎn)狀取①：330°/SW∠50°，②：350°/SW∠45°。對已完成的廠區(qū)各洞室內(nèi)進行了節(jié)理統(tǒng)計，使用Dips軟件搜索，見廠區(qū)節(jié)理等密圖(圖1)、節(jié)理玫瑰圖(圖2)和赤平投影圖(圖3)。通過節(jié)理統(tǒng)計圖分析，廠區(qū)主要為以下3組優(yōu)勢節(jié)理：③：315°/NE∠80°；④：295°/SW∠75°；⑤：305°/NE∠70°。

利用UNWEDGE軟件計算時，不考慮層面的延伸相交。因此，主要考慮三條節(jié)理的組合及二條節(jié)理與較弱的層面的隨機組合，分以下7種組合情況對洞室圍巖進行楔體穩(wěn)定性計算。第1種：①、③和④的組合；第2種：①、④和⑤的組合；第3種：①、③和⑤的組合；第4種：②、③和④的組合；第5種：②、④和⑤的組合；第6種：②、③和⑤的組合；第7種：③、④和⑤的組合；計算時考慮結構面連通率為100%。各種軟弱面組合情況下，使用Unwedge3.0軟件對廠房的頂拱和邊墻部位進行搜索。

(1)考慮所有組成楔形體的三組相對軟弱面都貫穿整個洞室，計算得出主廠房潛在的不穩(wěn)定楔形體見表4-1。

表4-1 主廠房潛在不穩(wěn)定楔形體統(tǒng)計表

(2)由于在施工過程中爆破松動影響。因此假定結構面延伸長度為5m，此時，取粘聚力c’=0，對洞室圍巖進行楔體穩(wěn)定性計算，主廠房潛在的不穩(wěn)定塊體見表4-2。

計算表明：當不考慮爆破松動的影響時，潛在不穩(wěn)定塊體均位于主廠房頂拱，為直接塌落型式。假定楔形體貫穿洞室，潛在不穩(wěn)定塊體最大體積155.2m3，塊體最大高度7.14m。考慮爆破松動影響，結構面延伸長度為5m時，軟弱結構面的粘聚力c’=0時，在洞室的頂拱和側墻均可能存在不穩(wěn)定塊體，體積均較小，最大體積8.34m3，最大高度為3.36m。在頂拱的破壞方式為直接塌落，在側墻主要為沿結構面單滑或雙滑。

表4-2 主廠房潛在不穩(wěn)定楔形體統(tǒng)計表(結構面延伸長度5m c’=0)

表5-1 潛在不穩(wěn)定楔形體錨桿支護參數(shù)表(假定結構面全貫通)

表5-2 主廠房不穩(wěn)定楔形體錨桿支護參數(shù)表(結構面長度5m,c’=0)

圖1 節(jié)理等密圖

圖2 節(jié)理玫瑰圖

圖3 赤平投影圖

圖4 楔形體錨桿示意圖

5 支護計算

(1)不考慮爆破松動的影響，對組成楔形體的結構面貫穿整個洞室且100%連通時，對所搜索的潛在不穩(wěn)定楔形體分別進行支護計算。計算時，按普通的注漿錨桿考慮，(grouted dowelφ28：Tensile capacity 25t；Plate capacity 10t；bond strength 35t/m)。計算過程中，錨桿的布置位置及錨桿與洞壁的角度對支護效果均有一定的影響，本次計算假設錨桿與洞壁垂直(見圖4楔形體錨桿示意圖)，計算結果見表5-1。

(2)考慮開挖過程中爆破松動的影響，當假定結構面延伸長度為5m，取粘聚力c’=0時，對所搜索到的體積大于1m3的潛在不穩(wěn)定塊體進行支護計算，計算時，按普通的注漿錨桿考慮。廠房潛在不穩(wěn)定體支護參數(shù)見表5-2。

計算表明：假設結構面在洞室開挖范圍內(nèi)全貫通且100%連通時，會存在較大的潛在不穩(wěn)定楔形體，要使其達到2.0以上的穩(wěn)定性系數(shù)要求，需要加強支護，錨桿最大長度需要達到9m，間距需達到1.0m×1.5m。根據(jù)已開挖的洞室所揭露的本工程的地質(zhì)條件顯示，這種可能性極小。考慮爆破對洞室一定范圍內(nèi)結構面的影響而造成其粘聚力變小(L=5m，c’＝0)。針對這種情況進行支護計算，主廠房采用φ28錨桿(L=6m，間排距1.8m×1.8m)支護，能滿足廠區(qū)主要洞室群潛在不穩(wěn)定楔形體的支護要求。

6 結語

影響圍巖塊體穩(wěn)定性的因素較多。本次計算根據(jù)廠房7種軟弱結構面組合計算，各洞室還有其它產(chǎn)狀的相對軟弱面形成不穩(wěn)定的楔形體。通過對主廠房的楔形體穩(wěn)定性和支護進行計算分析，了解其主要出露位置和破壞形式，為廠房的系統(tǒng)支護提供參考，并不作為地下廠房支護設計的依據(jù)。在主廠房開挖過程中需針將實際存在的不穩(wěn)定楔形體清除或及時支護，以確保洞室的安全。