维普资讯 http://www.cqvip.com 西北水电・２００７年・第２期 １３ 文章编号：１００６－－２６１０（２００７）０２—００１３—０６ 乌龙山抽水蓄能电站地下厂房洞室围岩 稳定性分析研究 苟富民 （中国水电顾问集团西北勘测设计研究院工程地质勘察研究所，兰州７３００５０） 摘要：浙江乌龙山抽水蓄能电站地下厂房，地质条件复杂，岩性变化大，结构面较发育，其稳定性是本工程最主要 的环节。应用地下厂房围岩的组成、结构、物理力学特性、水文地质条件、地应力等方面的试验资料，重点对地下厂 房围岩的稳定性进行了块体稳定、平面有限元、岩爆等分析研究，分析总结出了洞室稳定条件及可能的变形破坏方 式，为工程设计及施工方法的制定提供了依据，并提出了相应的工程处理建议方案。 关键词：：地下厂房；围岩稳定；有限元；岩爆 中图分类号ＴＵ４５７；ＴＶ５５４ 文献标识码：Ａ Ｏｎ ｒｏｅｋｍａｓｓ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｏｗｅｒｈｏｕｓｅ ｆｏｒ Ｗｕｌｏｎｇｓｈａｎ ｐｕｍｐｅｄ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｔａｔｉｏｎ ＧＯＵ Ｆｕ—ｍｉｎ ．（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｌｏｇｉｃ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｈｙｄｒｏ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，ＣＨＥＣＣ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｇｅｏｌｏｉｇｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｂｉｇ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｔｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｌａｎｅ，ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｏｗｅｒｈｏｕｓｅ ｉｓ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒｍｏｓｔ ｋｅｙ ｏｐｉｎｔ ｆｏｒ Ｗｕｌｏｎｇｓｈａｎ ｐｕｍｐｅｄ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｎ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ．Ｂａｓｅｄ ｕｐｏｎ ｔｅｓｔ ｄａｔａ，ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｗｅｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｍａｄｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｙｔ ｏｆ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ，ｐｌａｎｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ，ｒｏｃｋｂｕｒｓｔ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｅ－ ｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｇｒｏｕｎｄ ｓ＠ｅｓｓ ｏｆ ｒｏｃｋｍａｓｓ ｏｆｒ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｏｗｅｒｈｏｕｓｅ．Ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔａ－ ｂｉｉｌｙｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｖｅｒｎｓ ａｎｄ ｏｐｔｅｎｔｉｌａ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｈａｖｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｈｅ ｂａｓｅｓ ｔｏ ｗｏｒｋ ｏｕｔ ｐｒｏｊｅｃｔ ｄｅｓｉｇｎ ｎａｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｉｔｏｎ ｍｅｔｈｏｄ， ｎａｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍｅｓ ａｒｅ ｂｒｏｕｇｈｔ ｕｐ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｏｗｅｒｈｏｕｓｅ；ｓｔａｂｉｌｉｙｔ ｏｆ ｒｏｃｋ ｌｎａｓｓ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｒｏｃｋｂｕｒｓｔ 乌龙山抽水蓄能电站位于浙江省建德市境内， 明，多年平均气温１７℃左右，最高气温４２．９ ｏＣ，最 距杭州市约１００多ｋｍ，工程主要由上、下水库、输水 低气温一９．６ ｏＣ，年无霜期达２５０ ｄ，多年平均降水 系统及地下厂房等组成。 量１ ５３４．６ ｍｍ左右，区内林木旺盛，山水风光秀丽， 本抽水蓄能电站装机容量２ ４００ ＭＷ，为Ｉ等大 人文历史悠久，亦是旅游观光景区。 （１）型工程。初拟上库正常蓄水位７３８ ｉｎ，坝型为混 本区在大地构造单元上属扬子准地台（Ｉ级）， 凝土面板堆石坝，最大坝高１３１．８ ｉｎ；下库已建富春 钱塘台褶带（Ⅱ级），华埠一新登陷褶带（Ⅲ级），龙 江水库，正常蓄水位２３ ｉｎ；输水系统按３机１洞布 源村一陈村隆褶束（Ⅳ级）范围内。区内主要构造 置，地下厂房内安装６台单机容量为４００ ＭＷ的水 形迹为２条规模大、表现醒目的构造带及构造岩浆 泵水轮机组，最大毛水头约７１６．５ ｉｎ，最小毛水头约 活动带：乾潭一潘家断裂构造带、洪岭一潘岭构造岩 ６６７ ｉｎ 浆活动带，呈ＮＥ向或ＮＮＥ向斜贯区内，乌龙山火 １地下厂房区工程地质条件 山洼地位于其中，工程区构造相对简单，地震基本烈 度小于Ⅵ度。现存构造应力场以燕山晚期构造演化 １．１基本概况 形成为主，早期的拉张环境形成中生代断陷盆地，燕 区内属亚热带季风型气候，雨量充沛，四季分 山期运动晚期转换成挤压环境，造成早期断裂复活， 盆地内被动褶皱变形，形成现在的构造应力场，即最 收稿日期：２００６－１０－０６ 大主应力方向ｏｒ ＝２９０。、最小主应力方向ｏｒ，＝２０。。 作者简介：苟富民（１９６３一），男，甘肃省礼县人，高级工程师，从 地下厂房洞群主要有地下厂房、主变室、尾水闸 事工程地质和水文地质工作． 室等，地下厂房顶部高程一３４．８９ ｉｎ，底部高程 维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ４ 一苟富民．鸟龙山抽水蓄能电站地下厂房洞室围岩稳定性分析研究 育，为地下水渗流提供了通道，洞室开挖后顺沿断层 行或裂隙会产生滴水及线状流水。 ８５．０５ ｍ，厂房尺寸１９６．５ ｍ×２３ ｍ×５１ ｍ（长× 宽×高），主变室尺寸１７６．５ ｍ×１８．５ ｍ×２１．３ ｍ （长×宽×高），顶部高程一３６．９ ｍ，底部高程一５７ ｍ。本文仅对地下厂房洞室稳定性进行分析评价。 １．２地形及厂房埋深特征 岩体透水性：根据钻孔中进行的常规和高压压 水试验成果，裂隙岩体的水力劈裂压力值普遍在７ １２ ＭＰａ间，最大压力阶段吕荣值为０．４９～０．７６ ～乌龙山抽水蓄能电站尾部方案地下厂房区位于 乌龙山主峰南坡中部，地面高程２４５～４１５ ｍ，地形 坡度２２。～２８。，上游侧为相对低洼的凹沟，向下游 较为平顺，边坡走向约ＮＥ４０。，基本与厂房轴线一 致；主厂房垂直埋深３４０～３６０ ｍ，距离岸外水平距 Ｌｕ，其渗透类型为冲蚀型。高压渗透试验压力在３ ＭＰａ以下时吕荣值小于０．０１ Ｌｕ，基本接近于不透 水。 １．６地应力 厂房区在地勘平硐开挖过程中未听见明显的岩 离约９２０ ｍ。 １．３岩性及风化卸荷特征 地下厂房洞室群范围内的岩性可分为两大类， 即侏罗系上统劳村组二段（Ｊ，Ｌ）沉积岩类和侏罗系 上统黄尖组（Ｊ ）火山岩类，厂房区即位于２种岩 性交叉部位或火山岩边缘区。熔结凝灰岩：块状～ 镶嵌状结构，岩石强度高，局部岩石中含有粘土矿 物，但未见有崩解、软化现象。沉凝灰岩：分布在熔 结凝灰岩两侧或上下相间分布，多属蚀变带或岩性 接触带过度岩层，灰色为主，强度基本与熔结凝灰岩 一致，厚度一般３～１９ ｍ，块层状结构多。含角砾杂 色凝灰岩（角砾岩、碎屑岩含砂岩、泥岩、灰岩团块 等）岩相变化大，颗粒组成及胶结状况复杂，软硬不 均，各种岩性分布规律性差，本类岩体主要在拟选地 下厂房区以东、高压岔管以北的小范围内。根据平 硐及钻孔岩芯长度统计，厂房区泥灰质砂岩约占 ３５％，熔结凝灰岩约占１６％，沉凝灰岩约占４９％，约 占厂房围岩的一半。 岩体风化卸荷特征：厂房区岸坡岩体强风化垂 直厚度５～１５ ｍ、弱风化垂直厚度３Ｏ～４５ ｍ，局部陡 峭山坡处有卸荷松动岩块，厂房洞群段位于微新岩 体内。 １．４断裂构造 厂房区内发育的断层按产状大致可分３组：① ＮＥ６０。～７８。，ＳＥＬ１５。～Ｌ３６。缓倾角组；②ＮＷ２８０。 ～３３３。，ＮＥ Ｌ３８。～Ｌ６８。③ＮＷ２８０。～３５５。，ＳＷ Ｌ６５。～Ｌ８４。较少发育。对厂房区洞群影响最大的 当属①组和③组（１７１５、１７１７）。根据勘探平硐裂隙统 计，厂房区裂隙发育有３组：①ＮＷ３０１。，ＮＥＬ８３。最 发育；②ＮＥ８８。，ＳＥ（ＮＷ）Ｌ７３。次之；③ＮＥ８０。～ ８９。，ＮＷ ５。～ ７。，局部尚有ＮＷ３３７。，ＳＷ（ＮＥ） Ｌ８６。和ＮＥ７２。，ＳＥ Ｌ４８。组发育。 １．５水文地质 厂房区地下水位埋深一般在２０～１００ ｍ间，地 下厂房全部位于地下水位以下，坚硬岩体中裂隙发 爆声响，只在近水平层状砂岩中硐顶局部有片状剥 落和顺硐壁裂面上见有刀片状剥落现象，局部断层 带有轻微的错动或带内物挤出，钻孔岩芯中亦未发 现饼状物，按此推测区内最大主地应力值量值应略 高于垂直自重应力，属于中低应力区。 水压致裂法三维应力测量成果分析厂房区地应 力具有以下特点： （１）最大主应力的量值约在ｌ３．３Ｏ～ｌ７．３Ｏ ＭＰａ，为中低地应力，中间主应力的量值约在８．２７～ ｌ２．０３ ＭＰａ，最小主应力的量值约在６．４７～８．５５ ＭＰａ。 ３／ｏ１＝０．３８～０．５２间，符合常规区间０．３０ ～０．８０； （２）最大主应力的方位集中于２６５。～２９０。，与 区域构造应力场基本一致，倾角４。～２７。，靠近水平 面，最小主应力的方位集中于３４３。～３５。，倾角集中 于４８。～７５。，接近直立； （３）地应力值大小与岩性规律性不强，接近洞 底板、裂隙发育较多部位应力值略低，但红泥灰质粉 砂岩中泥质含量较大时应力值有减小迹象，应力值 大小及其方位还与围岩中的结构面发育特性密切相 关； （４）厂房及高压岔管的分析计算最大主应力值 为ｌ３～１７ ＭＰａ，方位为ＥＷ向；最小主应力值为 ６．４７～８．６ ＭＰａ，方位为ＮＥ１０。，主厂房采用２Ｏ。～ ２７。倾角进行分析计算。 。小角度相交是有利的。 但在中低应力环境下，为保持顶拱围岩有足够的压 应力，厂房轴线则应与最大主应力 。大角度相交。 ２厂房区围岩分类及物理力学指标 ２．１地下洞室围岩分类 地下厂房系统围岩为熔结凝灰岩、沉凝灰岩、及 含角砾杂色凝灰岩等，厂房顶拱、侧墙受断层、裂隙 影响程度不同而围岩类别有所差异，因此对厂房顶 拱及侧墙分别进行围岩分类，本次分别采用巴顿Ｑ 法和水电围岩分类法进行分类，地下厂房围岩分类 维普资讯 http://www.cqvip.com 西北水电・２００７年・第２期 １５ 结果如表１，２。 表１ 巴顿Ｑ法地下厂房围岩分类结果表 壁壁堂 ： 兰 ：！ ： ： 注：口＝ｎ＿ ｇｐ＿ｘ Ｊｒ× 表２水电围岩分类法地下厂房围岩分类结果表 岩性是 募 稳定性评价 厂房沉、熔凝灰岩ｓ＝４．０７（＞４）７２ 基本稳定，整体稳定，润顶可能产生 顶拱泥灰质粉砂岩ｓ“‘ 掉块或楔形体塌落 ：３．８ｏ（＜４）６５ 重１ 局部稳定性差，产生塑性变形 厂房沉、熔凝灰岩ｓ＝４．３３（＞４）７９ Ⅱ１ 基本稳定，围岩整体稳定，局部稳定 侧墙泥灰质ｌｌｔｔｔｌ，岩ｓ＝３．８０（＜４）６３ 重１ 性差，可能产生掉块或楔形体塌落 破碎带 一 ｓ ・ ３６Ⅳ 麓 较 注：Ｓ：—Ｒｂｘｌ￣ —由分类结果看，２种分类法分类结果基本一致， 地下厂房围岩类别以ⅡＪ（熔结凝灰岩、沉凝灰岩）～ Ⅲ．（泥灰质粉砂岩类）为主，局部断层及其破碎带为 Ⅳ类围岩，裂隙密集带为Ⅲ类，总体成洞条件良好。 ２．２物理力学指标 根据试验成果结合本工程特点，厂房区各类岩 体（石）物理、力学指标建议值如表３，结构面物理、 力学指标建议值如表４。 表３地下厂房洞室围岩（石）物理、力学参数建议值表 围岩 容重 抗压强度／砌，ａ软化抗剪断 模量／ＧＰａ 弹性抗力坚固 类别／ｋｇ・ａＩＩ一３ 系数 变模 系数 性系 ／ＭＰａ・ａＩＩ一１数 ｉｌ１ ２．６５ ７５ ０．８ｏ Ｉ＿２ １．５ ２Ｏ ｉｌ ２ ２．６５ ７０ ０．７８ １．１ １．２ ｌ５—２ｏ 噩１ ２．６８ ６０ ０．７５ １．Ｏ １．Ｏ ｌ０一ｌ５ １２ ２．６６ ４０ ０．７０ ０．８５ Ｏ．８ ５—８ ＩＶ ２．６８ ｌ５ Ｏ．５０ ０．６ ０．３ ＜３ 表４厂房区结构面力学参数建议值 序号 断层带 黼ｃｍ 由糜棱岩、泥质物组成，未胶结 １０—３０ ０．３５一Ｏ．４００．０５一Ｏ．０８０．３０一Ｏ．３５ 由碎裂岩、局寿晰层泥、置Ｅ棱岩等组成 ２一１０ ０．加一０．４５ ０．ｏ８一Ｏ．１ ０．３５一Ｏ．加 由岩块、岩属、局部少量 明 组成。０．５一Ｉ．Ｏ０ ４５—０．５００．１０一Ｏ．１２０．柏一０．４５ 充填岩块、岩属等０．２一Ｏ．５０．５０—０．５５０．１２—０．１５０．４５一Ｏ．５０ 充填钙膜或近闭台无充填 ＜Ｏ．２ ０．５５—０．６００．１５一Ｏ．２５０．５０一Ｏ．５５ ３地下厂房洞室围岩稳定性评价 ３．１块体理论分析 厂房围岩有熔结凝灰岩、沉凝灰岩及紫色泥灰 质粉砂岩，厂房下游有杂色火山角砾岩。围岩分类 结果厂房顶拱为Ⅱ ～Ⅲ。类，侧墙为Ⅱ。～Ⅲ。类，局 部断层及其影响破碎带为Ⅳ类。 依据块体理论，不同块体破坏方式下块体的安 全系数按下面的公式求出： （１）直接塌落型块体 ∑［ ・ｅ∥］＋ ｓ ＝ —广 （２）单面滑动型块体 Ｓ・Ｆ＝ Ｓ 。 ‘ ＋ ！ 兰： Ｓｉ 。 Ｃｎｉ・ｔａｎ ＋Ｃｓｉ Ｓｉ （３）双单面滑动型块体 ｓ．Ｆ－ ＋ 苎 ： ： ：Ｓ 二 堕 。 ： ± ： ± ｓ 式中：Ｊ『、ｒ为锚杆数；ｇ为重力方向；Ｎｉ为块体重力 （ ）沿平面ｉ的法向分量；Ｓ 为块体重力（ ）沿平 面（滑面） 的切向分量；Ｓ 为块体重力（ ）沿平面ｉ 和 确定的边的分量； 为沿重力ｇ方向的抗滑力； 为锚杆锚固力（ ）沿平面ｉ的法向分量；Ｔｓ 为锚 杆锚固力（ ）沿平面（滑面）ｉ的切向分量；Ｔｓ 为锚 杆锚固力（ ）沿平面 和 确定的边的分量； 为 锚固效率（由锚固方向和块体破坏形式决定），；ｃ 为 重力方向的内聚力；Ｃｎｉ为喷射混凝土强度（Ｃ）沿平 面的法向分量（Ｃ＝Ｌ・ ・．ｒ ；Ｌ为底滑面周长； 为 喷射混凝土厚度；．ｒ 为喷射混凝土的强度）；Ｃｓ 为 喷射混凝土强度（Ｃ）沿平面（滑面） 的切向分量； 为喷射混凝土强度（ｃ）沿平面ｉ和 确定的边的 分量； 为块体自重力； 为平面ｉ的面积；ｃ 为平 面ｉ的内聚力； 为平面ｉ的摩擦角； 围岩的块体稳定问题是地下厂房围岩稳定的关 键，根据裂隙发育组数，对厂房围岩结构面组合用 Ｕｎｗｅｄｇｅ程序进行分析及初步稳定计算，块体搜索过 程中采用断层优先与取大舍小原则考虑，以确定裂隙 的不同块体组合形态、组合部位、稳定状态、可能的破 坏形式及主要的控制面。采用上述公式，计算结果汇 总在图１中。图中左侧大部分区域为结构面在各个 部位所能组合的块体形状展示，右边部分是块体具体 状况（每个块体具体内容的第１行为块体编号，第２ 行为块体重量，第３行为块体滑移方式，其中ｗｅｄｇｅ 维普资讯 http://www.cqvip.com １６ 苟富民．鸟龙山抽水蓄能电站地下厂房洞室围岩稳定性分析研究 ｆａｌｌｓ为直接滑落，Ｓｌｉｄｅｓ为滑动，并给出滑动面编号， 平缓裂隙的发育，洞顶还易产生局部变形以至塌落。 Ｒｏｔａｔｅ为转动，最后一行ｓ・Ｆ为安全系数）。按照本 厂房侧墙：３种岩性交替穿插分布或呈透镜状 工程特点确定ｓ・Ｆ＜１的块体为不稳定，ｓ・Ｆ＝１～ 分布，平缓裂隙对洞壁稳定影响较小，结构面与洞壁 １．５为稳定性差，Ｓ・Ｆ＞１．５为稳定。 组合可形成楔形块体。左侧墙及拱角部位形成的楔 厂房顶拱：主要为熔结凝灰岩和沉凝灰岩互层， 形体（图１中Ｗｅｄｇｅ２），属于双面滑动型，重量７４．Ｏ１ 接触面为较平缓的裂隙③组，不同裂隙的组合形成 ｔ，稳定性系数１．１３，稳定性差，会在振动等不利条件 的楔形体如图１中的Ｗｅｄｇｅ６，其方量不大，为直接 下沿①、②结构面产生滑落；右侧墙楔形体组合是稳 塌落型，楔形体在洞顶右侧最易形成塌落，同时由于 定的。 ． ｌｌｌｌ１ 誊＿ｌ １… 。” 、 鬻臻 、ｊ － 『 ＝‘ 麓麓 ～尊 ｉ麓绻登糍 氍 ＿１ 一幽臻攀 ｛ ● ¨ ｌ。 ＿ｌｊ ？ ●＿ ｜ 。＿— 、． ，参 ’，●■■Ｉ豳Ｉ ＿ ，一 ’■ ＿ 一一 ▲、 ■ ｌ＿ｊｌ ｝。 ｉ ， ＿ Ｌ． 一 ＼ｌ ｌＩ 图 、『 ＼．． ． ， 一Ｉ １’ ＿ 、 ＿ —＿啊一嘲。 一 ＿ …．… 一 …●一一＾一Ｊｌｔ～㈣ Ｊ‘ 图１ 厂房轴线ＮＥ３５。结构面组合块体示意图 ３．２平面有限元分析 ①洞室群开挖后，洞周围岩普遍发生径向（边墙部 利用前述地应力实测成果，对目前厂房开挖完 位 方向、顶拱与底板部位ｙ方向、）卸荷，切向应 成后各部位的应力情况进行了数值模拟分析，以了 力集中。各洞室角点部位均有较高的剪应力分布； 解厂房洞室周围岩的二次应力场、位移场、变形破坏 ②由于切向应力集中使切向应力水平较高。 方 特征。分析采用２Ｄ一 软件建立了地下厂房二维 向的高应力值出现在洞室的底板角点和顶拱中部， 数值模型，并在建立计算模型时进行简化，为了分析 向压应力最大值为３７．６５ ＭＰａ。Ｙ向的高应力值 方便，在各洞室洞壁上选取了一些代表点，各代表点 出现在洞室的角点部位，ｙ向应力的最高值出现在 位置及编号见图２（ａ）。 主厂房的６，１２号点，其量值为３４．５９ ＭＰａ；③径向 ３，２，１二次应力场特征 卸荷的结果：径向应力水平较低，某些利于卸荷的部 应用上述相应的建议岩体物理力学指标，通过 位出现拉应力。 方向拉应力区主要分布于洞室边 对地下厂房洞室群的一次性全断面开挖模拟，得到 墙的中部， 向拉应力的最大值为一０．６１ ＭＰａ，Ｙ方 了洞周围岩的二次应力场、位移场以及变形破坏区 向拉应力区主要分布于主厂房底板中部，顶拱中部 特征，见图２（ｂ，ｃ，ｄ）。围岩二次应力分布特征为： 也有少范围分布。 维普资讯 http://www.cqvip.com 西北水电・２００７年・第２期 １７ 一 一 一 一一Ｏ Ｌ ｍ ｍ 加 图２围岩二次应力场分布图 ３．２．２位移场特征 表５主厂房代表点位移值 单位：ｃｍ 洞室开挖后，洞周围岩的位移场见图３。厂房 点号 位移Ｘ 位移Ｙ 点号 位移Ｘ 位移Ｙ 洞壁代表点的位移值见表５。 ｌ ０．４５ ７ Ｏ．３５ Ｉ．２９ ２ １．２Ｏ ８ ０．１５ ０．３９ ３ １．８ｌ ９ 一１．０２ —０．２９ ４ Ｉ．８５ １０ 一Ｏ．７ｌ 一Ｏ．２８ ５ ２．１６ ｌｌ 一０．６７ —０．５５ ６ ０．６８ ｌ２ —０．１６ 一１．２５ ３．２．３破坏区分布特征 洞室开挖后，破坏区 的分布情况见图４。 （１）洞室开挖后，破 坏区主分布于主厂房顶拱 和边墙部位、主厂房的底 图３洞室开挖后围岩中的位移等值线图 板也有零星分布； （２）洞周较浅范围内 （１）洞室开挖后，洞周围岩主要发生指向洞内 的围岩以拉破坏（拉破坏 临空方向的位移：边墙部位主要发生 方向位移， 区与拉应力区相互对应）， 图４破坏区分布图 顶拱和底板部位主要发生ｙ方向位移； 较深范围内围岩以剪破坏为主。 （２） 方向位移主要发生在洞室的边墙部位； ３．２．４有限元分析结果评价 （３）ｙ方向的位移主要发生在洞室的顶拱和底 （１）二次应力场：洞室开挖后，洞周围岩普遍发 板部位。 生径向（边墙部位 方向、顶拱与底板部位ｙ方向） 卸荷，切向应力集中。洞室角点部位均有较高的剪 维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ８ 应力分布。 苟富民．乌龙山抽水茸能电站地下厂房洞室围岩稳定性分析研究 部可能有片帮、剥落类型的轻微岩爆现象，凝灰岩类 （２）位移场：洞室开挖后，洞周围岩主要发生指 局部可能有中等岩爆。 根据厂房区地下洞室围岩的工程地质条件、岩 向洞内临空方向的位移——边墙部位主要发生 方向位移，顶拱和底板部位主要发生ｙ方向位移。 （３）洞室开挖后，破坏区主要分布于主厂房顶 拱和边墙部位、主厂房底板也有零星分布。 ３．４岩爆预测及防治措施 体力学特性、结构面规模、性状、地应力条件等综合 分析，总体认为，洞周围岩体中虽然存在较多的结构 块体，除顶拱部位的直接塌落型块体易失稳外，边墙 中的块体整体失稳的可能性较小，但开挖后受二次 应力影响，前述计算的稳定系数可能会降低，各块体 存在蠕变的可能。 地下厂房区岩质坚硬，岩体多为半干燥或潮湿 状，岩体结构层状一块状，完整性好、岩质坚硬，属于 中等应力环境，具备产生岩爆的地质条件。本文采 用表６所列方法按照实测地应力值及岩石试验成果 进行判定。 区内 ｌ一＝１７．３ ＭＰａ， ｌ平均１５．９３， 均值 ８４ ＭＰａ，最大１１０ ＭＰａ， ～／ ｌ一＝０．１５７， ｌ／ｏ． ＝ ０．１９０，据此判断厂房围岩可能产生中等岩爆；理论 上由于洞室开挖后围岩初始应力状态被破坏，产生 应力重分布，使得局部应力集中，产生岩爆。如果取 洞室开挖后洞周应力集中系数为１．７—２．０，按上述 判据（ ０／ｏ． ＝０．５—０．６为片帮及轻微岩爆、 ｏ／ｏ． ＝０．６—１．０为岩爆，ｏ．ｏ／ｏ． ＞１．０为严重岩爆），取 ０＝２ｏ－１＝３１．８６，ｏ－ｏ／ｏ－ ＝０．３８时不发生岩爆。只 有当应力集中系数达到３时，才有可能发生轻微岩 爆（ｏ－ｏ／ｏ－ ＝ｏ．５７）。由上述预测结果分析认为，乌 龙山地下厂房洞群开挖产生岩爆的可能性不大，而 在相对较软的泥灰质粉砂岩中及断层带附近以剪切 错位或缓慢变形释放能量，将不直接产生岩爆。 表６地下厂房岩爆预测表 ３．Ｓ综合评价 综上所述，洞室开挖后，洞周围岩普遍发生径向 卸荷，切向应力集中，围岩主要发生指向洞内临空方 向的位移，破坏区主要分布于厂房顶拱和边墙部位。 围岩应力除受岩体初始地应力场影响外，还受 洞室布置形式、断面形状、开挖方法等影响，且与洞 室沿线的地形、地质、水文条件有着密切的关系，分 析认为厂房洞室开挖后产生岩爆的可能性不大，局 根据上述分析建议，地下洞室开挖时，适时有效 的锚喷加固措施是必不可少的。由于沉凝灰岩局部 含粘土矿较高，洞室开挖后，易在层间接触带，即平 缓裂隙附近产生软化、崩解，因此洞室开挖后，应及 时对洞壁进行喷护处理。 ４结论 本区在大地构造单元上属扬子准地台钱塘台褶带 范围内，地质构造相对较为简单，地震基本烈度＜Ⅵ度。 厂房围岩有熔结凝灰岩、沉凝灰岩及紫色泥灰 质粉砂岩，厂房下游有杂色火山角砾岩。岩体完整 性好，为微新岩体，围岩分类结果厂房顶拱为Ⅱ 一 Ⅲ，类，侧墙为Ⅱ，一Ⅲ，类，局部断层及其影响破碎 带为Ⅳ类。 地下厂房洞室的稳定性分析利用块体理论、平 面有限元及岩爆经验理论等进行。分析认为地下厂 房围岩总体成洞条件较好，在厂房顶拱易产生局部 变形以至塌落或顶拱右侧楔形体塌落，左侧墙形成 的楔形体稳定性差，右侧墙楔形体组合基本稳定，厂 房开挖过程中裂隙组合还可能在其它部位产生局部 块体滑移、转动及至坍塌。厂房区为中低应力区，不 排除局部应力集中而产生岩体变形、结构面错位、轻 微岩爆等现象，并会产生局部应力集中现象，顶拱和 侧墙会产生向内的变形及局部破坏。厂房洞顶或侧 墙局部顺结构面还可能有地下水流出。按照上述分 析，针对洞室可能产生的不同变形、破坏方式，需要 设计必要的处理措施，亦可具体结合施工揭露情况 进行必要的处理。 参考文献： ［１］张倬元，王士天，王兰生．工程地质分析原理［Ｍ］．北京：地质 出版社，１９９４． ［２］水利电力部水利水电规划设计院．水利水电工程地质手册 ［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９８５． ［３］李华哗．地下洞室围岩稳定性分析［Ｍ］．北京：中国水利水电 出版社，１９９９． ［４】蒋爵光．隧道工程地质［Ｍ】．北京：地质出版社，１９９５． ［５］尚岳全，黄润秋．工程地质研究中的数值分析方法［Ｍ］．成都： 成都科技大学出版社，１９９１．