厄瓜多尔CCS水电站地下厂房稳定分析

娄国川，齐三红，杨风威，姚 阳

（黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450003）

0 引言

块体是由多组结构面和临空面相互切割形成的刚体，其大小不仅取决于洞室的尺寸、形状和方向，也取决于结构面的发育形态、结构面与洞室方位的关系、块体形状及有无临空条件等［1～3］。在力的作用下，处于极限平衡、需要支护才能满足稳定要求的块体称为关键块体，关键块体一旦失稳，有可能产生连锁反应，造成整个岩体的失稳［4～8］。 因此，块体剪切滑移是洞室围岩破坏的一种形式。在地下洞室开挖过程中，应对开挖揭露的各种结构面进行认真调查分析，对洞室内可能出露的楔形体进行预测，对实际揭露的楔形体稳定性进行评价，并根据评价结果提供合理的支护处理措施。

UNWEDGE程序是加拿大多伦多大学E．Hock等人根据块体理论（石根华等人提出）开发的适用于地下洞室三维块体稳定性分析的交互式软件。该程序具有操作简单、界面友好、适用性强等优点，被广泛应用在地下工程块体稳定性分析中［9～11］。本文运用UNWEDGE程序，对在建科卡科多辛克雷（COCA CODO SINCLAIR，简称 CCS）水电站主厂房和主变室开挖揭露的不稳定块体进行分析，并提出科学的支护处理建议。

1 CCS水电站工程概况及地下厂房的地质条件

1．1 工程概况

CCS水电站位于厄瓜多尔南部Napo省和Sucumbios省境内的COCA河下游，总装机容量为1 500 MW （由8台单机容量为187．5 MW的冲击式机组成）。厂房洞室群由主厂房、主变电室、输电母线洞、高压电缆洞、压力管道、尾水洞和两层排水廊道组成。主厂房及主变室均为城门洞型，走向315°，尺寸分别为 212．8 m×27．5 m×50．0 m （长×宽×高）及192．0 m×17．0 m×32．5 m（长×宽×高），垂直埋深 150～300 m。

1．2 地下厂房的地质条件［12］

厂房区属于Sinclair构造带，构造相对简单，区域内没有大规模的断层发育。厂房区岩性主要为侏罗系～白垩系Misahualli地层的灰色、紫红色火山凝灰岩和肉红色流纹岩条带，岩体结构以块状为主。厂房区穿越的地层多为新鲜岩体，地下水为基岩裂隙水，赋存于岩体的节理裂隙中。对厂房区发育的结构面进行统计分析，Misahualli地层主要发育3组优势结构面（如图 1 所示）：①50°～80°／SE∠70°～85°（走向／倾向∠倾角），平直粗糙，整体闭合无充填，局部钙膜充填，延伸较长，平均 0．5～1 条／m。 ②320°～350°／SW∠70°～80°，平直粗糙，泥质条带或方解石脉充填，宽度2～3 mm，局部1cm，少数高岭土化，延伸长度大于 10m。③310°～320°／NE∠5°～15°，结构面零星发育，数量少，延伸长，整体充填2 mm左右岩屑，局部充填大于10 mm的方解石脉。

2 CCS水电站地下厂房洞室块体稳定分析

经典块体理论将结构面与临空面相互切割形成的块体分为如图2所示的几种块体类型。工作过程中，要对结构面与临空面相互切割形成的块体进行搜索分析，查找出处于极限稳定状态的关键块体，并对其进行稳定性计算和采取支护措施［13］。

图1 CCS水电站地下厂房节理裂隙统计图Fig.1 Statistics of CCS hydropower station underground powerhouse joint fissure

图2 CCS水电站地下厂房块体分类图Fig.2 CCS hydropower station underground powerhouse block classification

2．1UNWEDGE程序的工作思路

UNWEDGE version3．0版本较之前版本增加了地下水、地应力、地震力等功能，其工作思路主要为：以地下洞室开挖的形状和尺寸为几何模型，在软件中输入3组典型结构面，并结合开挖临空面作为四面体的边界条件。以各组结构面的力学参数为介质条件，自动搜索出结构面在洞室各个部位切割形成的最大块体，并计算出各个块体的体积、重量和块体稳定性［9～11］。 软件中，可以根据工程现场地质调查的块体规模，对系统默认的最不利块体组合进行规模限制，使得结构面组合到的块体与实际揭露的块体更加符合，增加块体分析的真实性、合理性，并科学地指导设计施工。

2．2 地下厂房块体的系统搜索及稳定性分析

该电站地下主厂房和主变电室跨度较大。洞室开挖之后，不稳定块体临空条件较好。为了避免施工过程中发生块体滑移等围岩失稳现象，在前期场区出露优势结构面统计分析基础上，运用UNWEDGE程序对不稳定块体进行搜索，并对其稳定性进行分析。在分析计算过程中，采用的结构面的参数为：节理 J的内摩擦角为 29°，内聚力为 0．05 MPa；断层 f的内摩擦角为22°，内聚力为0．1 MPa。楔形体搜索分析结果如图3和表1所示。

由表1可知：在主厂房和主变电室开挖过程中，受结构面切割，下游边墙（块体2）和上游侧顶拱（块体8）很有可能发生块体失稳现象，应对这3组结构面进行编录与分析，并根据其延伸长度和出露位置，及时做出相应的地质预报，以此来指导加固工程的施工。

图3 CCS水电站地下主厂房和主变电室块体组合Fig.3 CCS hydropower station underground powerhouse blocks of main powerhouse and main transformer

2．3 不稳定块体及其支护有效性分析

经典块体理论假设结构面是平直且无限延伸的，UNWEDGE程序自动搜索出来的块体为各组结构面与洞室形成的最大规模的三角体，而实际工作过程中，结构面的延伸长度有限，开挖揭露的块体规模较小。因此，对实际揭露的不稳定块体进行稳定性分析时，应根据结构面的延伸长度对块体规模进行限制。

CCS水电站地下厂房的主厂房和主变电室开挖过程中，在下游边墙均出现一处块体，根据出露块体的规模，运用UNWEDGE程序对块体支护前后的稳定性进行了分析，具体如图4～图5和表2所示。分析计算过程中，采用的结构面的参数同上述，地震加速度为0．3 g，采用的支护参数为：φ25的锚杆抗拉强度为137 kN、φ28的为172 kN，锚杆黏结强度为2．5 MPa，混凝土单位体积质量为 2．60 kg／m3，混凝土剪切强度为2.0 MPa。

表1 地下主厂房和主变电室块体稳定性分析Table 1 Block stability analysis of main powerhouse and main transformer of underground powerhouse

图4 地下主厂房CM-W1块体形态Fig.4 CM-W1 block form of underground main powerhouse

图5 地下主变电室CT-W1块体形态Fig.5 CT-W1 block form of underground main transformer

由表2的分析结果可知，块体CM-W1和CTW1在支护之前安全系数均小于1，处于失稳状态。经过支护以后，自然工况下，安全系数均大于2；地震工况下，安全系数均大于1.5，满足稳定性要求。鉴于此，施工过程中，建议施工方采用了“小药量、多循环、强支护”方法，对开挖揭露出来的块体及时进行支护，支护完成之后，再进行下一循环的开挖，成功避免了块体失稳带来的危害。

表2 地下厂房等块体稳定性分析结果Table 2 Block stability analysis results of underground powerhouse

3 结语

UNWEDGE程序是在块体理论的基础上开发的针对地下洞室块体稳定性分析的专业软件，软件操作简单、功能强大。在CCS水电站建设过程中，UNWEDGE程序得到成功运用，并很好地指导设计施工。

UNWEDGE程序默认的是由3组结构面和开挖临空面组合而成的四面体块体，结构面无限延伸，组合成的为最大不利块体。但在实际工作中，块体的组合形式多样，且节理延伸长度有限。因此，需要地质工程师对结构面的延伸长度、空间位置和规模性状进行详细调查分析，在此基础上才能进行更符合实际的块体稳定性分析工作。

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