尾水调压室顶拱不稳定块体分析及预测

王宇亮，赵家妹，马立杰

(河北联合大学建筑工程学院，河北唐山 063009)

0 引 言

尾水调压室受天然形成的地质状态(如地应力、岩体物理力学参数、地下水、构造条件等因素)和人工开挖操作(如开挖方式、支护方式、支护时间等因素)影响很大［1-5］。其主要问题一是跨度大、高边墙的巨大开挖面与岩体结构面组合而产生的块体稳定性问题;二是岩体结构控制论对危岩体的控制作用［6］。

1 工程地质概况

1.1 地层岩性及地质构造

坝区两岸山体雄厚，谷坡陡峻，基岩裸露，相对高差千余米，为典型的深切“V”型谷。地貌上右岸呈陡缓相间的台阶状，左岸呈山梁与浅沟相间的微地貌特征。尾水调压室所在区域岩性为中厚层角砾状大理岩，顶拱有断层通过，围岩为Ⅳ类。主要发育第①、②组裂隙，第①组层面裂隙产状为N50～60°E/NW∠30～40°，多条，间距30～70 cm，延伸均大于10 m，平直粗糙无充填，局部锈染，均为闭合状态;第②组裂隙组也较发育，产状N70～80°E/SE∠60～70°，多条，间距30～50 cm，延伸均为1～3 m，起伏粗糙无充填，轻微锈染，均闭合。断层发育在桩号151°顶拱偏山内侧，产状N70～80°E/SE∠70～80°，洞内揭露延伸长度大于10 m，带宽50～100 cm，断层带内岩体较破碎，为碎屑状角砾岩、碎砾岩，断层带范围湿润、锈染，力学性质较差。

1.2 岩体结构特征

构成尾水调压室顶拱围岩主要是大理岩，同时还存在煌斑岩脉和断层，各组结构面的空间组合关系及性状将是决定整体及局部稳定性的关键因素。尾调室各组裂隙的空间组合关系如下图1～3所示。

由图可知:结构面极点等值线图落在第四象限偏N方向的层面裂隙为缓倾～中倾角度，落在第二象限偏S方向的第2组裂隙和落在第一象限的第4组裂隙均为大角度近乎直立的。尾调室裂隙发育优势产状主要集中在三个方向，其中走向NE，倾NW组层面裂隙和走向NE，倾SE第2组裂隙较发育，而走向NWW，倾NE或SW的第四组裂隙发育相对较少。

由上述结构面极点投影图和走向玫瑰花图的分析，按照统计学的规律，可以进一步得到尾水调压室顶拱开挖优势结构面产状平均值(见图4)。并绘制赤平投影大圆弧，可以得到:尾水调压室三组优势结构面的平均产状为:N65°E/NW∠33°(用倾向和倾角表示为335°∠33°)，代表第一组层面裂隙产状;N63°E/SE∠77°(用倾向和倾角表示为 153°∠77°)，代表第二组节理裂隙产状;N77°W/SW∠80°(用倾向和倾角表示为193°∠80°)，代表第四组节理裂隙产状。整理统计裂隙组平均产状如下表1所示

表1 统计裂隙组产状

由上述分析得到结构面分组的依据和产状平均值，下面将从三组优势结构面的倾向、倾角分布范围来分析尾水调压室顶拱开挖时组合产生的不稳定块体分布及组合特征。

2 不稳定块体组合分析

尾水调压室桩号0+45°～0+120°桩号范围最大可能块体为①、断层面的组合受④和开挖面所切割形成。统计分析结果表明，尾水调压室桩号范围内层面裂隙较为发育，而且延伸较长，其平均产状为N40°～50°E/NW∠30°～40°，测得最大延伸长度为20～30 m，平均延伸长度均大于10 m。根据编录资料，第④组NWW向裂隙在尾水调压室发育较少，目前发现的有两条延伸长10～15 m，产状EW/N∠70～80°。从图4中可以看到，f14断层和层面裂隙仅为不稳定四面体提供了两个切割面，加上洞顶开挖临空面，还需要一组NWW向裂隙面后缘切割才具备产生不稳定块体的条件，裂隙组统计见下图5、6。

3 尾水调压室块体稳定性分析

以关键块体理论为基础对块体的稳定性进行分析［7～9］，经现场勘察确认，由层面①、断层面、第四组裂隙④组合形成的块体在空间发育特征上具备滑移失稳的可能性，其组合形成的块体为上小下大的四棱台形状，平面图见图7，剖面图见图8。

3.1 参数选取

尾水调压室顶拱岩性为厚层角砾状大理岩，根据该水电站可行性研究报告，弱卸荷层面抗剪断强度参数为f’=0.60，C’=0.10，由于洞室围岩揭露的结构面多为断续延伸，因此顶拱岩体层间结合应高于弱卸荷岩体，因此本次计算层面强度参数采用f’=0.7，C’=0.2。④组裂隙中延伸较长者，裂面微张、新鲜，隙间无胶结，因此强度参数采用 f’=0.6，C’=0.04。断层面抗剪断强度参数 f’=0.30，C’=0.05。

3.2 稳定性分析

通过软件计算，揭露块体由实测的①、④结构面和断层面切割产生，其安全系数1.079，块体大小约为16 m3，高约10 m，其滑动模式为受层面和断层面切割形成楔形块体，受裂隙④结构面切割产生破坏。

4 结论及建议

实测的①、④结构面和断层面切割产生的不稳定块体，在45°～120°桩号附近，裂隙面组合形成的潜在不稳定块体规模相对较大，单个块体最大可达16 m3，破坏模式主要为沿节理组④滑动掉块;该块体在自然状态下安全裕度不高，应进行支护，在后续的开挖时尽量采用光面爆破方式，减少对该部位的爆破扰动。建议随施工进度，对该块体不断进行地质复核，必要时采用强支护的手段。

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