某电站地下厂房裂隙发育规律及其对围岩稳定性的影响

李志远,宫海灵,张永辉,李 璞

中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024

0 引言

抽水蓄能电站地下厂房多位于山体内部，属大跨度的地下洞室，其围岩的稳定性问题是工程地质研究的重点。地下厂房位置选择及轴线方向确定时往往优先规避规模较大、性状较差、对围岩稳定性影响较大的控制性结构面，而对分布广泛、延伸较短小的裂隙结构面采取工程支护措施。在厂房开挖过程中，裂隙岩体原始的静力平衡状态被打破，局部块体沿结构面滑移并发生脱落，其失稳模式符合石根华[1]与R. E. Goodman等[2]提出的块体理论[3-5]，因此，准确把握构成块体的结构面组合及其发育位置是分析围岩稳定性的关键。但是，抽水蓄能电站勘探平洞的位置大多位于厂房顶拱几十至上百米的位置，为了在厂房开挖之前较准确地预测裂隙发育情况，需对勘探平洞的裂隙发育规律进行研究。根据秦启荣等[6]对构造裂隙的类型划分及预测研究，岩体中构造裂隙根据其成因不同，其空间分布具有一定的规律性，地表揭露裂隙的发育规律与深部岩体的发育规律基本一致，利用裂隙与构造的空间几何关系，可以对不同构造部位的裂隙进行预测[7-8]。

本文以某抽水蓄能电站为例，对平洞揭露的裂隙及构造进行分析，以确定裂隙发育与构造的规律性关系、预测厂房位置的块体组合，并利用Unwedge程序确定块体可能出现的位置，对其稳定性进行评价。

1 工程概况

某抽水蓄能电站位于山东省潍坊市临朐县境内，工程由上水库、下水库和输水发电系统组成，其中上水库正常蓄水位为628 m，下水库正常蓄水位为289 m，额定水头330 m，总装机容量为1 200 MW。输水发电系统位于上、下水库之间的山体内，采用一管二机布置，地下厂房位于输水系统首部，底板高程182.5 m，尺寸约为173 m×26 m×54.5 m(长×宽×高)，厂房轴线方向NE48°，探洞方向与厂房轴向方向相同，底板高程为307 m，位于厂房顶拱之上约70 m。

厂房区围岩岩性为微风化燕山晚期巨斑状二长斑岩，上覆岩体厚度229～313 m，围岩呈块状―次块状构造，围岩类别以Ⅲ类为主，断层及其影响带围岩类别为Ⅳ―Ⅴ类。厂房区发育多条断层构造，其中的F18、F19、F20、F26和F28规模较大、性状较差，厂房位置选取过程中对其进行了规避。F18、F20为厂房西北侧构造边界；F19为厂房西南侧构造边界；F26、F28为厂房东侧构造边界，厂房布置在由上述断层围成的地质单元内(图1)。厂房区最大水平主应力值为8.83～12.04 MPa，属于中低应力场，优势方向为NE52°―NE76°。

图1 厂房区探洞底板高程平切图Fig.1 Flat cutting diagram of floor height of the exploratory hole in the plant area

2 裂隙发育规律

以右支洞底为起点到左支洞桩号150为止，将283 m长探洞内的432条裂隙进行统计分析，根据裂隙走向分布规律将其分为A、B、C、D、E 5个区域(图2)。该范围内探洞揭露断层F21、F24、F25和节理密集带J16，构造发育位置与裂隙分区边界较接近，距离在10 m范围内，表明裂隙发育规律受构造控制。

A区主要位于F21上盘，探洞段长约45.6 m，共揭露81条裂隙，经统计，主要发育2组优势裂隙(①NW356°―NE7° SW(NW)∠61°～70°，②NW337°―NW346° SW∠71°～78°)和2组随机裂隙(③NW296° NE∠59°，④NE40° SE∠69°)(图3a)。

F21断层宽0.20～0.50 m，岩屑夹泥型，产状为NW350°SW∠88°，与优势裂隙走向接近，表明F21与A区优势裂隙在同一构造应力场下形成。

B区主要位于F21和F24之间，探洞段长约71.7 m，共揭露151条裂隙，经统计，主要发育4组优势裂隙(图3b)：①NW270°―NW280° SW(NE)∠80°～88°；②NE58°―NE73° SE∠67°～81°；③NE47°―NE65° NW∠37°～55°；④NE50°―NE60° NW∠79°～89°。

F24断层宽0.10～0.20 m，岩块岩屑型，产状为NE14°NW∠88°，主探洞揭露F24断层上盘密集发育多条NE―NEE向的中陡倾角构造，分别为断层F22、F23和节理密集带J8、J9。其中J8和J9被F24控制，F22、F23与F24斜交。B区裂隙发育受上述构造的影响，以NE―近EW向为主，根据工程区结构面统计，NE―近EW向结构面多与近SN向结构面斜角，呈剖面X型。其中，NE―近EW向结构面发育程度及规模较小，局部受近SN向结构面控制。因此，B区优势裂隙属于F24和F21断层间的局部性构造裂隙。

C区主要位于F24和F25之间，探洞段长约55.1 m，共揭露72条裂隙，经统计，主要发育3组优势裂隙(①NW274°―NW286° SW∠71°～86°，②NE62°―NE73° SE∠60°～69°，③NE5°―NE16° NW∠77°～87°)和2组随机裂隙(④NE63° NW∠37°，⑤NE36° SE∠63°)(图3c)。其中，NNE向裂隙延伸较长，NWW和NEE向裂隙延伸较短。

F25断层宽0.10～0.15 m，岩屑夹泥型，产状为NE15°NW∠70°，断层两侧发育多条平行裂隙，对NWW和NEE向裂隙起控制作用。因此，C区优势裂隙属于F24和F25断层间的局部性构造裂隙。

D区主要位于F25和J16之间，探洞段长约47.0 m，共揭露61条裂隙，经统计，主要发育3组优势裂隙(图3d)：①NW326°―NW343° SW(NE)∠81°―89°；②NE18°―NE30° NW∠65°―78°；③NW294°―NW303° SW∠62°―73°。

E区主要位于J16下盘，探洞段长约63.6 m，共揭露67条裂隙，经统计，主要发育1组优势裂隙(①NE10°―NE25° NW∠66°―80°)和1组随机裂隙(②NW315° SW∠67°)(图3e)。

J16带宽5.00 m，裂隙间距3.00～8.00 cm，产状为NE20°～30°NW∠75°。D区优势裂隙与J16斜交，呈剖面X型；E区优势裂隙与J16产状接近，为同一构造应力场下形成。

综上所述，厂房区构造及其影响带的分布对裂隙发育起到控制性作用，构造产状以NNW和NNE向(近SN向)为主。A区和E区优势裂隙与构造产状接近，为同一应力期形成，B、C、D区优势裂隙与构造产状斜交，呈剖面X型；各区优势裂隙走向各不相同，表明应力方向发生多次变化，厂房区裂隙属多期构造产物。厂房区结构面多在构造剪切应力下形成，具有裂面平直、产状稳定的特点。因此，根据控制性构造的产状及其与厂房位置的空间几何关系，可以推测探洞裂隙分区在厂房的具体对应位置，如图4所示。

图2 厂房探洞裂隙走向分区图Fig.2 Patition diagram of the fracture strike in the exploratory hole of the plant

a. A区；b. B区；c. C区；d. D区；e. E区。图3 各分区裂隙等密度图Fig.3 Isodensity diagram of fracture in each zone

图4 厂房构造分区示意图Fig.4 Schematic diagram of tectonic division of the plant

3 围岩稳定性分析

裂隙岩体内地下厂房的围岩稳定性问题主要以局部块体失稳为主，厂房区受构造作用影响存在多种裂隙组合。根据工程经验，围岩稳定性分析除了对优势结构面进行关注外，某些发育数量较少、但产状和性状不利的结构面也不容忽视。本文以优势裂隙为基础，同时考虑对围岩稳定影响较大的随机裂隙，利用加拿大多伦多大学E. Hoek等开发的Unwedge程序[9]对某电站厂房各分区不同裂隙组合下可能存在的块体进行搜索，并判断其稳定性[10-14]。

Unwedge程序主要以块体理论为依据，基于如下假定：块体是由结构面相互切割形成的四面体，即由3组结构面和开挖临空面组成；所有结构面为平面，岩体的变形仅为结构面的变形，结构体为刚体，结构面贯穿研究区域，且在保持产状不变的情况下可以任意移动。

根据实验成果，研究区围岩饱和密度为2.59 g/cm3，刚性结构面黏聚力为0 kPa，内摩擦角为31°，抗拉强度为0 MPa，设定裂隙在开挖面的出露长度为10 m，安全系数设定为1.5。根据表1裂隙发育规律，对厂房各分区内裂隙组合进行计算分析，结果如下：

由于临空面方向不同，各组裂隙形成的潜在不稳定块体多位于厂房顶拱和上、下游边墙。厂房底板处形成的块体呈倒楔形嵌入基岩，在重力作用下处于稳定状态，本文不对其进行详细论述。

A区以①②组优势裂隙为基础，结合④组随机裂隙共形成3处潜在不稳定块体(图5a)：下游边墙处5s号块体质量2.52×104kg，稳定性系数为0.74；上游边墙处4s号块体质量2.52×104kg，稳定性系数为1.46；顶拱处6s号块体质量6.79×104kg，稳定性系数为0.17。

a. A区①②④；b. B区①②③；c. B区①②④；d. B区①③④；e. C区①②③；f. C区①④⑤；g. D区①②③；h. E区①②；i. E区端墙①②。图5 各分区裂隙组合下块体分布示意图Fig.5 Schematic diagram of block distribution under each partition fracture combination

B区以①②③组优势裂隙为组合共形成2处潜在不稳定块体(图5b)：下游边墙处6s号块体质量8.08×104kg，稳定性系数为1.08；顶拱处4s号块体质量3.74×104kg，稳定性系数为0.06。此外，图5b 中的3s虽然位于上游边墙处，但其呈倒楔型体嵌入，属于稳定块体。以①②④组优势裂隙为组合共形成3处潜在不稳定块体(图5c)：下游边墙处6s号块体质量3.74×104kg，稳定性系数为1.08；顶拱处4s号块体质量5.84×104kg，稳定性系数为0.06；上游边墙处3s号块体质量3.73×104kg，稳定性系数为0.61。以①③④组优势裂隙为组合，共形成3处潜在不稳定块体(图5d)：上游边墙处3s号块体质量4.6×104kg，稳定性系数为0.61；顶拱处7s号块体质量2.48×103kg，稳定性系数为0.07；顶拱处8s号块体质量2.53×103kg，稳定性系数为0。

C区以①②③组优势裂隙为组合，在顶拱处形成1处潜在不稳定块体(图5e)：4s号块体质量3.47×105kg，稳定性系数为0.12。以①组优势裂隙与④⑤组随机裂隙为组合共形成4处潜在不稳定块体(图5f)：下游边墙处3s号块体质量1.08×104kg，稳定性系数为0.31；上游边墙处6s号块体质量1.08×104kg，稳定性系数为0.80；顶拱处7s号块体质量1.91×104kg，稳定性系数为0.41；顶拱处8s号块体质量6.33×104kg，稳定性系数为0。

D区以①②③组优势裂隙为组合共形成3处潜在不稳定块体(图5g)：上游边墙处2s号块体质量1.07×104kg，稳定性系数为0.21；下游边墙处7s号块体质量1.07×104kg，稳定性系数为0.53；顶拱处6s号块体质量3.91×105kg，稳定性系数为0.06。

E区以①组优势裂隙内的两条裂隙和②组随机裂隙为组合共形成4处潜在不稳定块体(图5h，i)：上游边墙处2s号块体质量2.8×103kg，稳定性系数0.27；下游边墙处7s号块体质量2.8×103kg，稳定性系数为0.28；顶拱处4s号块体质量1.90×105kg，稳定性系数为0.12；右端墙处10s号块体质量3.02×104kg，稳定性系数为0.24。

综上所述，厂房区上、下游侧边墙各形成6处潜在不稳定块体，顶拱处形成10处潜在不稳定块体，右端墙处形成1块潜在不稳定块体，块体稳定性系数多数小于1.00，属于关键块体，需采取支护措施。

4 结论与建议

1)研究区裂隙分布具有一定的方向性，根据其走向分布规律将厂房区划分为A、B、C、D、E 5个区域。

2)厂房区构造及其影响带的分布对裂隙发育起到控制性作用，构造裂隙在多期应力场下形成，以剪节理为主，裂面平直，产状稳定，根据控制性构造的产状将平洞裂隙分区对应到厂房位置。

3)根据工程经验，围岩稳定性除受优势裂隙控制外，产状及性状不利的少量随机裂隙的影响也较大，应将其与优势裂隙一同进行分析。

4)利用Unwedge程序对厂房各分区不同裂隙组合下可能出现的不稳定块体进行计算分析，在上、下游侧边墙各形成6处潜在不稳定块体，顶拱处形成10处潜在不稳定块体，右端墙处形成1块潜在不稳定块体。

5)计算结果对工程支护设计具有一定的参考价值，但由于裂隙发育具有随机性，不同产状的裂隙具有多种组合形式，本文得到的潜在不稳定块体不能完全代表实际情况，需在厂房开挖过程中对实际揭露的裂隙进行进一步统计分析。