以瀑布沟水电站为例浅析UNWEDGE程序在地下洞室开挖支护中

1、水电站设计D H P S 第22卷第2期2006年6月以瀑布沟水电站为例浅析UNWEDGE 程序在地下洞室开挖支护中的应用王能峰, 周云金, 尹显科, 向贤友, 张运达(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院地质工程处, 四川成都610072摘要:UNWEDGE(310 程序是为地下挖掘设计的3D 块体稳定性分析软件, 并提供了多种支护方案以及根据前期的勘探资料进行洞轴线的优化选取。本文利用UNWEDGE 程序对瀑布沟水电站地下厂房存在的不稳定块体作了统计分析, 为今后开挖过程中的支护设计方案以及支护措施提供了一定的理论指导依据。关键词:UNWEDGE程序; 地下厂房; 块体稳定; 支护; 瀑布沟

2、水电站中图法分类号:TV 73116文献标识码:B文章编号:1003-9805(2006 02-0105-03收稿日期:2006-02-15作者简介:王能峰(1977- , 男, 上海金山人, 硕士, 助理工程师, 主要从事地质勘测工作。1前言工程实践表明, 、块体结构形式、, 有利于确定支护型式, 性。鉴于此, 在开挖过程中需要采取合理有效的支护措施, 在此之前一般先分析洞室围岩失稳的影响因素和失稳方式。在建的瀑布沟水电工程地下厂房存在的不稳定块体主要由断层、岩脉、挤压破碎带、节理裂隙组合形成, 主要表现为不稳定块体的掉落和滑落, 以及少量的轻微岩爆。本文结合实际的施工地质调查, 利用Unw

3、edge (310 程序对地下厂房可能存在的不稳定块体以及分布位置进行统计分析, 为下一步的开挖支护提供预测预报。2UNWEDGE 程序介绍UNWEDGE 程序是在石根华块体理论的基础上开发的(参见Goodman and Shi. Block Theory and Its Application to Rock Engineering. 1985 , 通过分析由已知三组结构面与开挖临空面围限而成的切割锥(四面体 , 确定其是否有滑动可能, 再根据地下洞室的实际开挖形状, 自动生成最大的可能滑动块体(见图1 , 最后, 结合给定的条件计算出块体的抗滑安全系数、块体大小、重量及失稳方式等。其中块体

4、的失稳方式有三种, 即无滑动面的由顶部直接坠落、沿单面, 它主要有以下三个特点:(1 根据用户给定的参数, 迅速地搜索出由三组结构面组成的块体, 并可以根据结构面的实际延伸情况调节结构面的长度。(2 计算稳定系数时, 考虑了多种因素, 包括块体自重、地应力、地震以及水压力等(没有考虑爆破影响 。(3 提供多种支护方式, 为不稳定块体的支护提供理论依据。另外, 程序只能分析四面体的稳定性, 而在实际的工程中, 所遇到的块体还有五面体等, 需要分别计算后叠加。对于分析出的不稳定块体的具体出露位置要结合实际的情况才能确定。在实际分析中, 一般选取研究地段的优势裂隙作为构成楔形体的结构面。由于中缓倾角

5、的裂隙对构成不稳定块体比较有利, 故优先选取进行分析。鉴于地下厂房系统的重要性, 分析时取安全系数大于210, 如不能满足, 就需进行支护加固。Un 2wedge (310 程序提供了四种加固方式, 即摩擦型的锚杆、一端固定的锚杆、喷混凝土, 以及喷混凝土与锚杆。3程序在瀑布沟工程中的应用在建的瀑布沟水电站是一座大型水电站, 采用51 图1三组结构面在圆拱直墙式断面周围的组合形式全地下式厂房方案。厂房位于左岸的澄江期中粗粒花岗岩岩体内, 岩质坚硬, 单轴抗压强度一般在100MPa 以上; 地下厂房水平埋深240540m , 垂直埋深200360m 。洞轴线N 42°E , 从外向里依

6、次为副厂房、主机间和安装间。副厂房尺寸(长×宽×高 为2515m ×2618m ×4011m ; 安装间尺寸(长×宽×高 为60m ×3017m ×2816m ; 主厂房尺寸(长×宽×高 为20816m ×3017m ×7011m , 分层开挖, 现已基本完成层开挖。对于高边墙、大跨度的临空面开挖, 很大, 且工期也难以保证。, 断层、辉绿岩脉、隙。结合副厂房、主厂房、安装间的不同部位, 以及具体的围岩工程地质分段, 利用Unwedge (3 程序搜索可能存在的不稳定块体。3

7、11不稳定块体搜索及分析搜索不稳定块体主要根据以下的原则:(1 分析时取稳定系数为210, 结构面内聚力为0, 内摩擦角取36°(依据前期的勘探试验成果 ; (2 首先搜索分析断层、岩脉、挤压破碎带的相互组合; (3 再搜索分析断层、岩脉、挤压破碎带与节理之间的组合; (4 最后分析优势节理裂隙之间的组合。在此基础上, 结合现场的实际情况校核搜索结果。依据以上原则, 瀑布沟地下厂房层(顶拱到位 开挖后出现的部分不稳定块体和下部开挖可能出现的主要不稳定块体见表1和图2。根据现有开挖揭示的地质情况、前期相关的勘探成果, 以及通过Unwedge (310 程序分析表明, 地下厂房没有大规模

8、由断层、辉绿岩脉、挤压破碎带组合而成的不稳定块体, 地下厂房的不稳定块体主要为节理裂隙的不利组合, 表现为掉落和单滑模式, 并且主要集中在拱座以上位置; 随着下层开挖, 应特别注意上游边墙以(01 辉绿岩脉为界的结构面组合。地下厂房层以下, 开挖方式主要采取中间拉槽、两侧预留一定宽度的保护层, 对于预测边墙可能出现的不稳定块体是很有利的。采用Unwedge (310 程序分析不稳定块体时, 要有三组以上的节理组合。而实际在地下厂房中段存在NWW/SW 40°50°与近SN/E 50°60°两组节理组合, 在顶拱易形成“人”字形不稳定块体, 在开挖过程中发

9、生小型掉块; 在下游边墙存在顺洞向的陡立节理的倾倒变形破坏。所以分析预测不稳定块体时要结合实际的情况。另外, 对块体稳定性不利的因素很多, 如岩性、岩体的力学性状、高地应力、开挖爆破质量等。但是, 只要揭示发现不稳定块体就应及时采取支护措施, 防止因块体失稳而形成凹凸起伏大的拱圈形状, 造成局部应力集中, 对周边的岩体产生进一步的不利影响。312不稳定块体的支护Unwedge , 在地下厂。锚杆支护是一, , 承拱悬吊、固结组合, 增大岩体的, 增强其抗弯、抗剪能力, 使围岩的整体性和内在抗力得以提高。它是一种基本、普遍有效的支护手段。现就安装间的不稳定块体安-1, 利用Unwedge 程序提

10、出示例性的支护见图3 。图2 地下厂房不稳定块体分析图3安1不稳定块体锚杆支护6 1表1地下厂房部分不稳定块体分析结果块体编号位置块体属性结构面产状体积/m 3重量/t滑动方式主滑面产状(安全系数安-1顶拱(01 N 70°E/NW 80°85°结构面1N 5°15°E/SE 50°65°结构面2N 70°80°W/SW 35°40°2614571142掉落安-2(预计出现 上游边墙(01 N 70°E/NW 80°85°结构面1N 60°W/S

11、W 40°50°结构面2N 20°W/NE 35°40°39196107189单滑70°37°01964安-3下游拱结构面1N 10°W/NE 46°结构面2N 25°W/SW 35°结构面3N 35°W/SW 30°1217513122单滑235°30°11258副厂房-1顶拱结构面1SN/E 5°15°结构面2N 15°W/NE 63°结构面3N 70°W/SW 40°0125016

12、7掉落0厂房-1下游拱结构面1N 35°45°W/SW 75°85°结构面2N 40°50°E/NW 75°85°结构面3N 25°35°E/SE 20°30°291287911单滑315°80°01128厂房-2下游拱结构面1N 20°25°E/SE 10°15°结构面2N 5°10°W/NE 60°结构面3N 40°50°E/SE 60°70°

13、151334114单滑82°60°01419通过简单锚杆支护, 安-1不稳定块体的稳定系数由0提高到215。但是Unwedge 程序没有提供优化的支护设计方案, 法确定块体的最优支护方案, 护施工时间。, 一般发育两, 出现随机不稳定块体的概率较大, 因此需要依据实际的情况进行支护。4结束语在运用Unwedge (310 程序分析瀑布沟地下厂房的不稳定块体过程中, 作者总结了以下几点经验:(1 、组合特点,、组合特点, 排除不可。(2 由于Unwedge (310 程序搜索的是三组节理组合出现的最大的不利块体组合, 因此需要利用节理发育(间距、延伸长度等 特点, 在Unwe

14、dge (310 程序中调整节理的实际延伸长度。(3 随着进一步的开挖, 尽可能多地收集资料, 及时根据新的资料进行调整, 并且分析总结开挖所揭示的节理发育规律, 进一步完善分析成果。总之, 利用Unwedge (310 程序分析地下洞室不稳定块体时, 应紧密地结合实际情况, 及时调整、完善分析结果。简讯我国著名水电老专家张光斗院士关心MgO 混凝土筑坝技术张光斗院士尊重科学, 重视实践, 时刻关心和支持新技术的应用与发展。张老很早就对MgO 混凝土筑坝技术感兴趣, 当看到水电工程研究1996年第1期上发表的铜头电站外掺MgO 砼试验研究一文后, 认为“进行了全面系统的研究, 资料很丰富, 很

15、有价值。”“掺MgO 混凝土的性能都比普通混凝土好, 有自生体积微膨胀变形, 可以补偿水工建筑物大体积混凝土降温收缩, 防止大坝产生裂缝, 简化或省去温控措施, 加快工程进度, 缩短工期, 节约工程投资, 经济效益显著。”1998年7月17日在给我院李承木的来信中祝贺:“MgO 膨胀水泥的研究已取得很大成绩, 并在许多工程中应用取得成功。”并提出“对这一新技术应该申请专利, 看来是没有问题的, 有了专利, 就较易推广。另外也可到国外申请专利。”在1998年12月8日的来信中说:“我认为很重要的是总结MgO 混凝土在以往大坝工程中的经验, 特别是对长时期的观测资料进行分析, 得出施工经验, 看有哪些优点, 哪些不足, 需要改进, 能否适用于高拱坝。实践是检验真理的唯一标准, 实事求是地总结已有工程经验是最有说服力的! ”在2002年7月9日的来信中说:“这项新技术有很大的发展, 令人鼓舞贵州东风高拱坝底部也用掺MgO 混凝土, 很成功。”并对“坝的布置和断面、配合比和拌合控制、运输、浇筑技术与质量