块体理论在阜康抽水蓄能电站地下厂房围岩稳定分析中的应用

贾 巍,于 冲,石广斌

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;2.西安建筑科技大学,西安 710054;3.西安理工大学,西安 710048)

文章编号：1006—2610(2015)01—0020—05

块体理论在阜康抽水蓄能电站地下厂房围岩稳定分析中的应用

贾 巍1,于 冲1,石广斌2,3

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;2.西安建筑科技大学,西安 710054;3.西安理工大学,西安 710048)

通过用块体理论计算洞周关键块体净滑力，论证了阜康抽水蓄能电站厂房轴线的方位是比较合适的，但宜向北方向偏转；从随机块体和定位块体稳定初步分析结果来看，断层在地下厂房中形成大规模不稳定的块体可能性较小，个别块体在抗剪(纯摩)安全系数小于1.0，但在系统锚固措施下或局部加强支护、略加考虑抗剪断效应，其安全系数均满足要求，说明本阶段设计拟定的系统锚固措施是可行的，也是合理的。

阜康抽水蓄能电站；地下厂房；块体理论；围岩稳定分析

0 前 言

关键块体理论(或称块体理论，key block theory)起源于20世纪70年代四川白龙江上的碧口水电站调压井，调压井边墙高约80 m，岩性为千枚岩，围岩稳定问题非常突出，石根华博士用赤平投影法和几何方法分析岩体稳定性[1-2]，提出了合理的、科学的、可靠的支护措施，从而确保该项工程的顺利建成，就在此过程中，逐步形成了块体理论雏形，目前该理论已成为工程岩体稳定分析的一种有效方法。块体理论假定岩体结构面为平面、结构面切割而成的块体为刚体，利用几何拓扑方法分析岩体在不同的开挖面上可能失稳的块体类型，并结合刚体力学平衡分析，研究块体的稳定性及支护措施。块体理论已在岩石工程中取得了非常大的成功，特别是在当代的中国得到了广泛的应用，例如，在地下洞室、边坡岩体稳定性分析中都得到了应用[3-8]。

岩体地下工程开挖之前，通过块体理论可以预测分析不同开挖面上可能失稳块体及关键块体类型、几何特征及稳定性状况，但此时块体是不定位(结构面位置均为未知)或半定位(构成块体的某一结构面位置已知，如特定的断层)的。岩体开挖后，可通过调查实际出露结构面性状及位置，分析块体的几何特征及稳定性，此时块体是定位的。由于岩体中节理的发育具有随机性的特点，通过对节理的产状、间距、长度等进行统计分析，可获得随机分布或优势结构信息。因此，本文试想用块体理论分析主厂房轴线选择的合理性；根据裂隙优势结构面组合和探硐揭露的断层分布进行随机块体和定位块体稳定分析，并借此成果来评价地下厂房围岩局部稳定性和前期锚固措施的可行性。

1 工程地质概况

新疆阜康抽水蓄能电站地下厂房洞室群主要由主副厂房洞、主变洞、尾水闸门操作室等组成，主厂房轴线方向为NE20°。主副厂房洞最大开挖尺寸为173.5 m×26.1 m(岩壁梁以下跨度为24.3 m)×54.80 m(长×宽×高)，主变洞位于主厂房下游侧，最大开挖尺寸为150 m×19.5 m×21.8 m(长×宽×高)。

地下厂房上覆岩体厚度200～300 m，水平埋深大于500 m，深埋地下。地下厂房部位出露岩性为灰黑色、灰绿色硅质岩夹砂岩(C2-2)，中厚层为主，层厚一般20～50 cm。岩层走向NW270°～275°，倾向NE，倾角30°～40°，岩体微风化～新鲜，断层影响带附近强～弱风化。勘探平硐揭露的断层主要发育3组，见表1。

表1 平硐揭露的3组断层产状表

裂隙主要可归纳为3组：① 组走向NW320°～350°，倾向SW少NE，倾角70°～90°；② 组走向NE10°～30°，倾向NW少SE，倾角60°～85°；③ 组走向NW270°～275°，倾向NE，倾角40°～45°。

其中①组最为发育，局部密集成组发育，结构面多粗糙，充填方解石脉、岩粉等，性状相对较好。②组、③组零星发育。

2 基于块体理论的主厂房轴线的选择

主厂房轴线的选择一般根据断层结构面及裂隙结构面的发育特性、厂区地应力最大主应力方向、围岩结构块体特征、枢纽布置等综合考虑确定，因此，本文用块体理论分析洞周关键块体净滑力分布情况，以此评价洞轴线的合理性。

图1 厂房轴线方位与断层、裂隙组走向的关系图

图1表示了厂房轴线方位与断层、裂隙组走向的关系，3组断层与厂房轴线方位的夹角分别为70°～75°、50°～70°、20°～40°。3组裂隙与厂房轴线方位的夹角分别为30°～60°、0°～10°、70°～75°，从夹角大小可以看出，第3组断层对洞室边墙围岩影响较大，第2组裂隙对洞室边墙围岩影响最大；从倾角分布来看，缓倾角断层、裂隙不发育，有利于顶拱围岩稳定。

根据块体理论可以计算出3组断层和3组裂隙的洞周关键块体净滑力。图2是根据3组断层计算的洞周关键块体净滑力等值线。图3是根据3组裂隙计算的洞周关键块体净滑力等值线，图4是根据3组断层和3组裂隙组合计算的洞周关键块体净滑力等值线。从图2～4中可以看出，3组断层组成的块体对洞室局部稳定影响很小，3组裂隙组成的块体对洞室局部稳定影响比较大。目前NE20°厂房轴线的方位是比较合适的，宜向北方向偏转，不过也要结合枢纽布置或尽量使结构面的走向与厂房轴线的夹角增大以降低岩体结构面或不利块体组合对高边墙稳定的影响。

图2 断层组合洞周关键块体净滑力等值线图

图3 裂隙组合洞周关键块体净滑力等值线图

3 基于裂隙优势结构面组合的随机块体稳定分析

3.1 裂隙计算产状

根据地质报告，新疆阜康抽水蓄能电站地下厂房洞室裂隙主要可归纳为3组，其计算产状见表2。

经块体组合分析，①②③、②③④、③④⑤、①③⑤可与洞室开挖面组合成值得工程设计人员关注的可移动块体。

表2 裂隙计算产状表

图4 断层与裂隙组合洞周关键块体净滑力等值线图

3.2 结构面力学指标

地下厂房块体稳定分析时，摩擦系数f′和凝聚力c′取值原则如下：

(1) 根据围岩塑性区计算深度和本课题组对已建洞室(隧洞)塌落破坏情况的调查结果，在块体稳定分析过程中块体嵌入围岩深度分别按25.0、15.0、8.0、4.0 m计算。

(2) 摩擦系数f′=0.5。

(3) 块体嵌入围岩深度大于15.0 m时，凝聚力c′=0.08 MPa。

(4) 块体嵌入围岩深度小于15.0 m，大于8.0 m时，凝聚力c′=0.04 MPa。

(5) 块体嵌入围岩深度小于8.0 m，大于4.0 m时，凝聚力c′=0.02 MPa。

(6) 块体嵌入围岩深度小于4.0 m时，凝聚力c′=0.0 MPa。

3.3 块体稳定分析结果

块体稳定分析时，顶拱部位块体安全系数不小于1.50；边墙部位块体安全系数不小于1.15。经稳定分析，部分随机块体在自然状态下安全系数偏低，经系统锚固或局部加强支护后，滑动安全系数满足要求。局部加强支护措施为3Φ28锚筋桩，长度L=9.0 m，间排距为3.0 m×3.0 m，与类似工程相比，局部加强支护也是在合理范围，如拉西瓦水电站地下厂房局部加强支护采用的锚索为150 t、间排距为4.5 m或3Φ28锚筋桩，长度L=12.0m，间排距为1.5 m×1.5 m。图5和图6是断裂③④⑤在顶拱、上下游墙处可能出现组合块体。

图5 顶拱块体三维示意图

图6 上、下游墙块体三维示意图

4 定位块体稳定分析

探硐PD31和PD32在地下厂房位置的底高程为1 762.95 m, 地下厂房厂顶高程约为1 710.0 m，两者之间的垂直高差约52 m，因此，探硐揭露的岩性、岩体结构面等工程地质特性总体上应该与厂房位置岩体特性是基本相同的，因此，依据探硐PD31、PD32揭露的岩体结构面推测到地下厂房位置上的分布是可以作为定位块体稳定分析的边界条件。本次依据高程1 762.0、1 715.0、1 685.0、1 669.0 m等地质平切图上结构面分布情况，进行地下厂房部位的定位块体稳定性分析。图7和图8是工程地质平切图。

通过对高程1 762.0 m、高程1 715.0 m(厂房顶高程约1 710.0 m)、高程1 685.0 m(发机层高程约1 865.0 m)、高程1 669.0 m等工程地质平切图上结构面分布情况分析，块体稳定分析时主要考虑断层f1(PD31)、f1(PD32)、f4、f5、f6、f7、f11、f14等对地下厂房顶拱、上下游边墙的局部围岩稳定性的影响。

图7 高程1 715 m工程地质平切图

图8 高程1 685 m工程地质平切图

从定位块体稳定初步分析结果来看，断层在地下厂房中形成大规模不稳定块体可能性较小。图9是定位块体之一赤平投影图，图中1是f1(PD32)，2是f14，JP为100，f1(PD32)和f14与厂轴的夹角分别为80°和50°，从图中可以看出，在厂房上游边墙若遇到产状为倾向SE的断裂Lx，则可形成沿f14和Lx双面滑动的块体，在不考虑第4条结构面切割的情况下，在围岩中最大延伸深度约为7.0 m。在不计结构面凝聚力和地应力的影响，f=0.5时，抗滑安全系数K=0.56，小于1.15；c=0.02 MPa，f=0.5时，抗滑安全系数K=1.152，大于1.15。在考虑系统锚杆支护下，c=0.02 MPa，f=0.5时，抗滑安全系数K=2.04，大于1.15。图10是断裂f1和f14形成最大块体形态。

图9 断裂f1和f14的赤平投影图

图10 断裂f1和f14形成最大块体形态图

5 结 语

(1) 通过洞周关键块体净滑力计算分析得出，3组断层组成的块体对洞室局部稳定影响很小，3组裂隙组成的块体对洞室局部稳定影响比较大。NE20°厂房轴线的方位是比较合适的。

(2) 从基于裂隙优势结构面组合的随机块体和定位块体稳定分析初步结果来看，断层在地下厂房中形成大规模不稳定块体可能性较小，目前地质报告中表述的几条断层对厂房围岩局部稳定影响不是很大，即使个别块体在抗剪(纯摩)安全系数小于1.0，但在系统锚固措施下或局部加强支护、略加考虑抗剪断效应下，其安全系数均满足要求，说明本阶段设计拟定的系统锚固措施是可行的，也是合理的。

(3) 由于地下洞室地质条件非常复杂，开挖揭露的地质结构面成百上千条，它们与开挖面相互切割组成块体的可能性还是很大的，因此，建议在施工阶段，根据开挖揭露的地质结构面，进行块体跟踪或预测分析，从而有力地保障地下洞室开挖施工安全，为地下洞室开挖跟踪动态支护设计提供可靠的依据。

[1] 石根华.岩体稳定分析的赤平投影方法[J].中国科学，1977,(3)：74-85.

[2] Goodman R E,Shi gen hua.Block Theory and Its Appliction to Rock Engineering[M].New York:Prentice Hall,1985.

[3] 刘锦华,吕祖珩.块体理论在工程岩体稳定分析中的应用[M].北京:水利电力出版社,1988.

[4] 黄正加,邬爱清,盛谦.块体理论在三峡工程中的应用[J].岩石力学与工程学报,2001,20(5):648-652.

[5] 盛谦，黄正加，邬爱清.三峡工程地下厂房随机块体稳定性分析[J].岩土力学, 2002,23( 6):747-749.

[6] 马秀伟,皮漫,迟通,张帆. 卡里巴南岸水电站扩机工程地下厂房围岩稳定数值分析[J].西北水电, 2014,(4): 50-54.

[7] 石广斌,李宁.高地应力下大型地下洞室块体变形特征及其稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2009,28(1):2884-2890.

[8] 石广斌,董源,李敬昌.大型地下洞室围岩定位块体的快速生成及稳定分析[J].西北水电,2012,(4):18-25.

Application of Block Theory in Analysis on Stability of Surrounding Rock of Underground Powerhouse,Fukang Pumped Storage Power Plant

JIA Wei1, YU Chong1, SHI Guang-bin2,3

(1.POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China;2. Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710054,China; 3. Xi'an University of Technology, Xi'an 710048,China)

Through the calculation of the net sliding forces of the key blocks by the block theory, the suitability of the direction of the powerhouse axis of Fukang Pumped Storage Power Plant is demonstrated. The powerhouse axis should turn to northern direction, from the primary analysis on the stability of random blocks and positioning blocks, possibility of large-scaled and unstable block to be formed by fault in the powerhouse is little. The safety factors of individual blocks for shearing (pure friction) are lower than 1.0, In condition of provision of the systematic anchoring measures, or with local reinforcing support and slightly in consideration of rupture-resistance effect, the safety factor satisfies requirement. This presents that the proposed systematic anchoring measures at this stage is feasible and reasonable.

Fukang Pumped Storage Power Plant; underground powerhouse; block theory; analysis on stability of surrounding rock

2014-06-04

贾巍(1974- )，男，河北省高邑县人，高级工程师，从事水电站设计工作.

TV743；TU457

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.006