Unwedge程序在水利工程块体稳定性分析中的应用

陈 秀 芸

(莱西市大沽河管理所，山东 青岛 266000)



·水利工程·

Unwedge程序在水利工程块体稳定性分析中的应用

陈 秀 芸

(莱西市大沽河管理所，山东 青岛 266000)

结合杨房沟水利工程地下厂房洞室群结构面及优势节理展布特征，并利用Unwedge软件，对地下厂房的岩体稳定性进行了研究，结果表明，Unwedge在潜在失稳块体的分析中具有较高的实际应用价值。

Unwedge，块体理论，岩石稳定分析

0 引言

在开挖地下洞室的过程中，形成的临空面有可能导致某些岩体丧失原有的稳定，使之沿着结构面掉落或滑落，严重的会引起整个洞室岩体的坍塌。根据已有的工程经验，在洞室开挖工程中最主要失稳模式为岩石块体的失稳。故在工程中掌握洞室岩体的失稳形式、主要的岩石块体的结构形式、不利的岩体组合等是很有必要的，掌握这项有助于我们确定采用何种支护形式，使采用的支护措施最有针对性也最有效[1]。

一般我们会先研究洞室岩体失稳的影响因素和失稳模式[2]，以便于确定在开挖过程中的合理有效的支护形式。Unwedge是在块体理论的基础上开发的用于块体稳定分析的程序。并作如下假定：块体是由结构面在岩体进行切割而成的空间四面体，其4个面为 开挖临空面和3组在岩体内的结构面；忽视地应力的影响，单单考虑结构面的力学性质并研究块体在重力作用下的稳定；结构体为刚体，岩体的变形仅发生在结构面的平面上且假设结构面表面为平面；研究区域被结构面所贯穿，且结构面在保持产状不变的情况下，能够在研究区域内任意移动；洞体开挖断面的轴径方向始终不变；每次分析中最多只有3组结构面参与组合。该程序适用于在各类较坚硬的裂隙岩体的工程开挖中的岩体稳定分析，程序分析时会自动根据输入的参数生成最大可能的楔形块体，同时计算出该楔形块体的安全系数[4]。用户对所形成的块体进行筛选和进一步的分析时可根据结构面的实际出露情况进行，以评价围岩的稳定性及洞室的合理走向。该程序采用安全系数F.S(The factor of safety)来表征块体稳定性。同时软件建议的安全系数应大于1.5～2.0，1.5为临时的洞体安全系数推荐值，2.0为永久洞体的推荐值。安全系数F.S，由式(1)计算得出：

(1)

本文要讨论的杨房沟水利工程是规划中的位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上的第6级水电站。库容为5.124 8亿m3，为一等大(1)型等级重大工程。坝体采用最大坝高为155 m的混凝土双曲拱坝。其地下厂房布置在左岸山体内，距离进水口150 m左右，厂房纵轴线方位为N5°E，引水隧洞高压管道的轴线与之垂直。该水利工程安装4台容量为375 MW的发电机组，总装机容量1 500 MW。厂区建筑物由三大洞室(主变洞、尾水调压室、主副厂房洞)及辅助洞室组成。其中主副厂房洞室长×宽×高的尺寸分别为228.5 m×30 m×75.57 m，布置4个机组段，机组之间的间距为32.0 m。地下厂房分布着由断层、岩脉、挤压破碎带、节理裂隙引起的不稳定块体。具体形式为失稳块体的掉落和滑落,以及在开挖过程中不多的轻微岩爆现象。

本文结合已有的现场地质勘察，通过Unwedge(3.0)程序对地下厂房可能存在的失稳块体以及所在位置进行统计分析，评价洞室内各不稳定块体的稳定性。为下一步的开挖支护提供预测预报。

1 厂房洞室群结构面及优势节理展布特征

根据杨房沟地质报告的统计，厂房洞室群发育13条Ⅳ级结构面，其中10条通过厂房开挖区域。此外，洞室发育着3组主要优势节理。厂区3组优势节理以中等倾角和陡倾角为主，优势节理面一般为新鲜或无充填型。有5条Ⅳ结构面分布在主厂房所在区域。分别为f47-17，f47-18，f47-22，f47-23和f47-25，这5条Ⅳ级结构面总体上与厂房轴线大角度相交。3组优势节理与该5条Ⅳ结构面的赤平投影如图1所示。主要的Ⅳ结构面和优势节理的产状、宽度及岩石特性如表1所示[5]。

表1 厂房洞室群区域的Ⅳ结构面与优势节理统计

编号产状宽度/cm特性f47-17N40°E;SE∠75°～80°2～8带内为蚀变岩、碎块岩,呈强风化状,面平直光滑f47-18N60°W;NE∠55°～60°3～5带内为蚀变岩、碎块岩、岩屑,面起伏光滑f47-22N40°W;SW∠60°10～15带内为碎块岩、岩屑、石英,弱风化状,面平直粗糙f47-23N45°W;NE∠75°3～5带内为碎裂岩、挤压片状岩、岩屑,面起伏粗糙,充填石英,沿结构面滴水f47-25N10°E;NW∠70°3～5带内为碎块岩、岩屑、石英,弱风化状,面起伏粗糙优势节理①N17°E;NW∠75°优势节理②N89°E;SE∠45°优势节理③N72°W;SW∠30°

2 软件分析结果

2.1 随机块体破坏模式

优势节理①与厂房洞室轴线小角度相交，倾角75°；优势节理②和③走向与厂房轴线大角度相交。这3组节理在顶拱和边墙都可能组成随机块体，其在顶拱与边墙的破坏形式如图2所示。

从图2可知，3组优势节理在顶拱部位组合成的潜在块体以塌落破坏为主，潜在失稳块体的规模主要受控于优势节理的实际出露迹长。经Unwedge软件分析得出了优势节理不同最大出露迹长条件下顶拱潜在塌落块体的体积(3组优势节理取相同出露迹值)，统计结果见表2。可以看出，顶拱的随机块体的体积一般小于1 m3。同样的，3组优势节理在上游侧和下游侧边墙组成单滑面或双滑面块体，潜在失稳块体的规模也主要受控于优势节理实际出露的迹长。表3也给出了边墙在不同最大出露迹长条件下边墙的潜在塌落块体的体积，可看出两侧边墙的随机双滑面块体的体积小于15 m3。

表2 结构面迹长的敏感性分析

根据厂房地质的调查，3组优势节理的性状总体较好，地质建议的结构面的抗剪断强度f值为0.60～0.65，粘聚力为0.05 MPa～0.15 MPa。按抗剪断强度，绝大部分随机块体总体上能够自稳。实际开挖过程中，随机节理的力学参数具有空间变化性，另外爆破冲击也可能导致组成块体的优势节理面失去粘聚力，进而导致部分随机块体成为潜在失稳块体。实际施工中，爆破后的一期支护(或随机支护)需要采用锚杆对潜在失稳块体进行针对性的锚固。

2.2 厂房半定位块体破坏模式

通过地下洞室块体分析软件可以研究确定性的Ⅳ级结构面与优势节理组合而成的半定位块体分布特征。与前面随机块体的研究相一致，半定位块体的体积与优势节理在开挖面附近的出露迹长相关，因此具有一定的不确定性，本次分析优势节理的出露迹长取12 m，另外，成果整理时对于体积小于1 m3的潜在失稳块体不予以统计。

2.2.1 厂房顶拱

主厂房区域Ⅳ结构面与优势节理组成的主要半定位块体在顶拱的分布如表3所示。可以看出需要注意顶拱部位f47-18，f47-22与优势节理①组合而成的半定位块体，该半定位块体体积为23.61 m3，安全系数为3.02，开挖过程中需要及时支护。

表3 拱顶及边墙主要半定位块体分布特征

2.2.2 厂房边墙

主厂房区域Ⅳ结构面与优势节理组合成的主要半定位块体在边墙的分布如表3所示。从表3中结果可以看出，施工过程中需要注意f47-23，f47-25与优势节理组②所形成的半定位块体，体积为68.01 m3，该块体安全系数为10.33，开挖揭露后需要及时支护。

3 结语

1)根据Unwedge程序分析，杨房沟水电站3组优势节理的性状总体较好，其形成的随机块体潜在塌落体积较小；

2)根据Unwedge程序分析，杨房沟水电站顶拱部位f47-18，f47-22与优势节理①组合而成的半定位块体安全系数较低，开挖时需及时支护；

3)在地下洞室开挖分析中，可利用基于块体理论的Unwedge程序对地下洞室进行潜在失稳块体的分析，从而快速准确地获得块体的潜在塌落体积及岩体可能的破坏模式。可用于指导实际工程建设。

[1] 谢良甫,晏鄂川，季惠彬.地下水封洞库围岩块体失稳矢量分析方法研究[J].长江科学院院报,2012,29(6):48-51.

[2] 卢书强.岩体质量对地下洞室围岩稳定性的影响[J].地球与环境,2005,33(b10):319-324.

[3] 朱玉龙，徐娟花.Unwedge程序在隧道围岩稳定性分析中的应用[J].工程地质计算机应用,2012(4):1-6.

[4] 方 丹,陈建林,张 帅.杨房沟水电站地下厂房围岩稳定分析[J].岩石力学与工程学报,2013，32(10):2094-2099.

The application of Unwedge inanalyzing block stability in water conservancy project

Chen Xiuyun

(Management of Daguhe in Laixi, Qingdao 266000, China)

Combining with the grotto group structure surface and superior joint group distribution characteristics of Yangfanggou water conservancy engineering underground powerhouse, and using the Unwedge software, researched the rock mass stability of underground powerhouse, the results show that the Unwedge had good application value in the analysis on potential failure block.

Unwedge, block theory, rock stability analysis

1009-6825(2016)34-0206-02

2016-09-25

陈秀芸(1976- )，女，助理工程师

TP319

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