水电站地下洞室块体稳定性研究

陈嘉国　陈贵文

【摘 要】目前，由于我国近些年水电工程施工数量较多，很多工程环境各不相同，因而影响水电站地下洞室安全的因素也逐渐的增大，其中块状的稳定性是影响水电站地下洞室安全的主要因素。所以，在进行地下洞室开挖时，对于地下洞室的整体稳定性研究是十分重要的，本文通过对地下洞室和岩体应力变化的主要内容进行简要的分析，对地下洞室块体的稳定性进行了一定的研究。

【关键词】水电站；地下洞室；岩体应力；块体；稳定性

在水利工程中，地下洞室的开挖有着十分重要的意义，它的安全问题直接关注到整个水利工程的质量，因此在进行地下洞室开挖的时候，我们必须要保证对地下洞室的各个工程环境因素进行勘察，确保地下洞室的安全性得到保障，这样也有利于我国水利工程的发展。其中岩块的稳定性是影响水利工程地下洞室安全的重要因素，而岩体的稳定性和地下洞室岩体的应力变化有关，因此我们进行分析讨论的时候，一定要对其地下洞室的岩体应力进行一定程度的分析。下面我们就以实际案例为例来对其进行系统的分析和处理。

1.地下洞室的概述

地下洞室泛指于在地表以下岩土体中修建的各种形式和用途的建筑。地下洞室是岩土工程中的重要组成部分，广泛应用于工业与民用建筑、交通、采矿、水利水电、国防等部门，如作为地下工厂、交通隧道、矿山巷道、水电站地下厂房、地下商场、储备仓库、地下防空洞等等。

地下洞室的共同特点是：都建设在地下岩土体内，具有一定断面形状和尺寸，并有较大延伸长度。地下洞室的断面形状一般有曲线型、折线型和两者的组合型。地下洞室断面形状的选择，应考虑洞室的用途和服务年限、洞室的围岩性质、岩土体地应力的分布特征；洞室的支护或衬砌方式和材料等因素综合确定。一般地来讲，曲线型洞室（圆形、椭圆形和马蹄形等）的稳定性较好，对周围岩土体的稳定有利。折线型洞室（矩形、方形和梯形等）的断面利用率高、施工方便、开挖工艺简单。洞室的尺寸主要取决于洞室的用途，一般性隧道高（或宽）在3 m-5m，有些可达20m以上，而地下厂房的断面则要大得多，一般高度可达60m-70m，宽度在20m-35m之间。洞室可分为过水的和不过水的（如交通隧洞）两大类。

洞室周围的岩土体通称围岩。狭义上，围岩常指洞室周围受到开挖影响，大体相当地下洞室宽度或平均直径3倍左右范围内的岩土体。由于初始地应力的存在，洞室开挖势必打破原来岩（土）体的自然平衡状态，引起洞室周围一定范围内的岩（土）体应力重新分布，有的围岩的强度能够适应变化后的应力状态，可不采取任何人力措施，便能保持洞室稳定；但有时因围岩强度低，或其中应力状态的变化大，以致围岩不能适应变化后的应使岩土体产生变形、位移，甚至破坏，若不加固或加固而未保证质量，都会引起破坏事故，对施工、运营造成危害。工程中将洞室开挖后周围发生应力重新分布的岩（土）体称为围岩。

地下洞室突出的工程地质问题是围岩稳定问题。尤其象地下飞机库、大跨度引水隧洞和水电站地下厂房等大型洞室的因岩稳定性，常常是工程地质研究的重点；矿山采空区常出现独特的工程地质现象。国内外建筑史上因洞室围岩失稳而造成的事故，为数不少。如澳大利亚悉尼输水压力隧洞，混凝土衬砌。使用期间在300m长的地段上，发现洞内有压水大量渗入围岩而达地表。放空检修发现在100m的内水水头作用下，衬砌被破坏，洞顶围岩被掀起，出现裂缝，错开距离多达1.0-2.0cm。

2.块体理论

岩体的稳定性的分析方法有很多种，块体理论就是其中的一种，并且由于这种理论对岩体结构和力学指标，都有着比较系统的分析，因此目前在水电站的地下工程中得到了广泛的应用。当在进行地下洞室开挖时，对已知的岩体结构和工程作用力进行一定的分析处理，而且将洞室四周和洞室顶部不稳定岩块的应力，作为工程处理的依据，并且对其进行逐步的开展了一系列的稳定研究。而且据地下洞室岩体的相关规律，我们可以了解到当地下洞室岩体的径向应力开始减少时，切向应力也开始在增大，而局部的应力也开始的集中，因此我们可以将地下洞室的岩体稳定性，看成一种稳定的变量，当其中的一个环节出现问题的时候岩体的稳定性也会发生变化。因此，在运用块体理论对地下洞室的块体的应力进行分析的时候，我们主要从块体的稳定性和活动性进行分析处理。

2.1块体的稳定性

在进行块体稳定性进行研究的时候，发现影响块体的稳定性的因素有很多，其中做主要的因素就是块体的中存在的静滑力，而对岩块静滑力的变化的因素主要包括主动力合力、作用于欢动的法相反作用力和滑动面上的切向摩阻力合力等各方面因素，因此在对块体的稳定性进行检测的时候，我们就通过这些方面的因素，进行计算研究，当计算结果为正值的时候，这块体的稳定性就存在着不足，而为负值的时候你就表面滑动面上的应力小于摩擦阻力，因此地下洞室就处于一个平衡的状态。

2.2块体的活动性

由于地壳在进行不同的运动，水电站的地下洞室的块体就具有一定的活动性。目前，在地下洞室块体的运动中，主要存在着三种不同的活动方式，它们分别是直接掉落的方式、沿单面滑面滑动的方式和沿双滑面滑动的方式。直接掉落的十分主要是和块体的运动方向，当主动力的合力方向和可动岩块的运动方向相同时，块体就会出现直接掉落的现象；沿单滑面滑动则是指块体的运动方向和某一结构面平行作用而产生滑落的现象，这主要使得和主动合力在某一平面的投射方向有关。而双向滑面滑动则和单向滑动的原理有着类似的关系，但是由于块体的作用面和主动合力的投射方向不同，而进行双面的滑动。

3.某地下洞室开挖围岩应力场的演化

某水电站地下洞室开挖前，地层处于弹性状态，在开挖初期，围岩应力场相比于最初的应力场变化不大，构造应力较高，洞室内可动块体基本处于极限布的演化，主厂房内层的岩体由于应力释放形成松动圈，这种围岩条件，块体赋存的应力环境发生了改变，在没有支护和衬砌等加固措施时，这些可动块体只受自身重力和结构面摩擦力、粘聚力的作用，稳定性降低，部分块体稳定性会降低到临界状态之下发生破坏。

4.某地下洞室块体稳定性分析

某水电站地下洞室主轴方向为NE25。长297m，宽30-m，高57.1 m。地应力大小为21～23MPa，SN方向13-14 MPa，竖直方向79 MPa，WE方向。根据块体理论，依据地下洞室编录图对洞室进行块体稳定性分析，得到的两种应力状态下关键块体的稳定性见表1。计算表明，在不考虑围岩应力场作用时，地下洞室分布的8个可动块体稳定性均有不同程度的降低，并且块体开始运动后滑移方向发生改变。其中11、86、87号块体由原来的稳定状态转化到不稳定状态，40号块体稳定性降低到0，直接掉落。在地下洞室开挖初期块体稳定性系数较大，随着时间的推移，滑动方式发生改变，稳定性降低，甚至发生破坏，表明块体稳定性不是～成不变的，而是随围岩应力演化状态变化的过程而改变。

5.结论

由此乐见，在进行地下洞室开挖前，整个洞室的围岩都是处于应力调整的阶段，而且各种弹性应力都还没有进行完全的释放，因此要从岩体的整体性的各方面的稳定性进行研究，然后在施工开挖过程中进行应力的提供，以免在施工工程中对洞室岩体的稳定性进破坏从而导致，整个建筑工程都受到影响。所以，为了保障水利工程中各个项目都能正常运行，我们就要对水利工程的地下洞室的稳定性进行合理的研究，从而保证地下洞室的安全。

【参考文献】

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