埃塞俄比亚GD-3水电站地下厂房围岩楔体稳定性与支护计算

朱望初

(中南勘测设计研究院,湖南长沙 410014)

埃塞俄比亚GD-3水电站地下厂房围岩楔体稳定性与支护计算

朱望初

(中南勘测设计研究院,湖南长沙 410014)

GD-3水电站为长引水式电站,厂房采用地下式。本电站为EPC总承包项目,美国美华美大公司(MWH)担任业主代表,负责对所有设计文件的审批。本报告采用的计算方法和参数都采用国际通用标准。根据已有的地质资料和相关试验参数,对对地下厂房可能存在的楔形体的稳定性进行计算,并通过计算对可能存在的不稳定块体提出支护建议,为厂房的支护设计提供参考。

围岩 软弱结构面 楔形体 稳定系数 支护

1 工程简介

GD-3水电站位于埃塞俄比亚南部，电站装机规模254MW。大坝为混凝土面板堆石坝，坝高110m，发电水头280m，输水线路长约15km。厂房形式为地下式，厂区洞室群主要包括地下厂房和主变室等，其中地下厂房跨度为94m×25m×52m(长×宽×高)。

2 基本地质条件

地下厂房为太古代地层，岩性主要为片岩夹少量伟晶岩。没有影响洞室整体稳定的大断层和蚀变带。片岩层理产状：290°～350°/SW∠40°～70°。有以下几组优势节理面：(1)305°/NE∠80°～85°；(2)330°～335°/NE∠75°～80°；(3)285°～290°/SW、NE∠75°～90°。围岩完整性好，平均RQD75%～90%。岩体质量指标(RMR)大多为66～74，主要为Ⅱ类围岩；节理裂隙较发育的部位，RMR为40～60，为Ⅲ类围岩；但不排除存在Ⅳ类围岩的可能。本洞室主要位于工程新鲜岩体，岩石和结构面地质参数见表见表2-1。

3 分析与研究内容

3.1 计算分析目的

根据已有资料，对主厂房顶拱、侧墙和边墙存在的潜在楔形体进行稳定性计算和研究，以达到以下目的：(1)为工程施工地质巡视、判断和超前预报各局部稳定提供参考理论依据，对洞室围岩稳定性作出初步评价。(2)对结构面组合的楔形块体通过计算分析，评价其稳定性。(3)对地下厂房提出有针对性的建议支护措施，确保地下洞室群的施工安全和围岩的稳定。

3.2 计算分析内容

本工程采用Unwedge3.0和Dips程序进行计算，综合分析研究各地下洞室顶拱和侧壁的楔形体的稳定，进行洞室群围岩稳定性分析评价并计算所需提供的支护参数。

(1)计算方法的选择：目前地下洞室围岩块体稳定性分析软件虽然较多，但应用较为广泛的为加拿大Toronto大学E.Hoek等依据石根华块体理论研制开发的UNWEDGE分析软件，因此本工程借助于该软件对地下洞室群围岩结构面组合的楔形块体稳定性进行计算分析。(2)计算假定条件：Unwedge软件适用于分析在坚硬的岩石施工开挖围岩楔形体失稳，但不会发生洞室围岩的整体失稳。结构面组合切割形成的楔形块体为四面体。如果分析区域有三组以上结构面，本计算软件将考虑其中三组结构面的组合。不考虑地应力和地下水的作用。假设构成楔形体为刚体。组成楔形体的结构面贯穿研究区域，长度大于楔形体，且在保持产状不变的情况下可任意移动；因此，构成楔形体的结构面不会终止楔形体内。没有其它结构面影响楔形体的变形失稳。认为这些结构面是普遍存在的，他们可以随机的出现在围岩岩体中的任何位置。假定地下洞室开挖断面沿其轴线为等截面。

表2-1 厂房主要地质参数建议值

4 地下洞室群围岩块体稳定性计算

本次对地下厂房围岩块体稳定性分析所运用到的软件为Unwedge3.0程序。Unwedge(3.0)程序是一款简易的交互式块体稳定分析软件，能对围岩块体稳定进行定量分析。

洞室围岩块体稳定性分析：

厂区岩性主要为片岩，片理产状：290°～350°/SW∠40°～70°。大部分沿层理结合紧密，部分沿层面相对较弱，存在云母夹层密集现象，局部潮湿。厂房顶拱中导洞内主要4处，都位于厂房西半部。(1)LF1：330°/SW∠45°；(2)LF2：350°/SW∠45°；(3)LF3：30°/SW∠50°；(4)LF3：320°/SW∠50°。根据主厂房中导洞和周边洞室揭露的片理产状，在进行楔体计算时，层间弱面的产状取①：330°/SW∠50°，②：350°/SW∠45°。对已完成的厂区各洞室内进行了节理统计，使用Dips软件搜索，见厂区节理等密图(图1)、节理玫瑰图(图2)和赤平投影图(图3)。通过节理统计图分析，厂区主要为以下3组优势节理：③：315°/NE∠80°；④：295°/SW∠75°；⑤：305°/NE∠70°。

利用UNWEDGE软件计算时，不考虑层面的延伸相交。因此，主要考虑三条节理的组合及二条节理与较弱的层面的随机组合，分以下7种组合情况对洞室围岩进行楔体稳定性计算。第1种：①、③和④的组合；第2种：①、④和⑤的组合；第3种：①、③和⑤的组合；第4种：②、③和④的组合；第5种：②、④和⑤的组合；第6种：②、③和⑤的组合；第7种：③、④和⑤的组合；计算时考虑结构面连通率为100%。各种软弱面组合情况下，使用Unwedge3.0软件对厂房的顶拱和边墙部位进行搜索。

(1)考虑所有组成楔形体的三组相对软弱面都贯穿整个洞室，计算得出主厂房潜在的不稳定楔形体见表4-1。

表4-1 主厂房潜在不稳定楔形体统计表

(2)由于在施工过程中爆破松动影响。因此假定结构面延伸长度为5m，此时，取粘聚力c’=0，对洞室围岩进行楔体稳定性计算，主厂房潜在的不稳定块体见表4-2。

计算表明：当不考虑爆破松动的影响时，潜在不稳定块体均位于主厂房顶拱，为直接塌落型式。假定楔形体贯穿洞室，潜在不稳定块体最大体积155.2m3，块体最大高度7.14m。考虑爆破松动影响，结构面延伸长度为5m时，软弱结构面的粘聚力c’=0时，在洞室的顶拱和侧墙均可能存在不稳定块体，体积均较小，最大体积8.34m3，最大高度为3.36m。在顶拱的破坏方式为直接塌落，在侧墙主要为沿结构面单滑或双滑。

表4-2 主厂房潜在不稳定楔形体统计表(结构面延伸长度5m c’=0)

表5-1 潜在不稳定楔形体锚杆支护参数表(假定结构面全贯通)

表5-2 主厂房不稳定楔形体锚杆支护参数表(结构面长度5m,c’=0)

图1 节理等密图

图2 节理玫瑰图

图3 赤平投影图

图4 楔形体锚杆示意图

5 支护计算

(1)不考虑爆破松动的影响，对组成楔形体的结构面贯穿整个洞室且100%连通时，对所搜索的潜在不稳定楔形体分别进行支护计算。计算时，按普通的注浆锚杆考虑，(grouted dowelφ28：Tensile capacity 25t；Plate capacity 10t；bond strength 35t/m)。计算过程中，锚杆的布置位置及锚杆与洞壁的角度对支护效果均有一定的影响，本次计算假设锚杆与洞壁垂直(见图4楔形体锚杆示意图)，计算结果见表5-1。

(2)考虑开挖过程中爆破松动的影响，当假定结构面延伸长度为5m，取粘聚力c’=0时，对所搜索到的体积大于1m3的潜在不稳定块体进行支护计算，计算时，按普通的注浆锚杆考虑。厂房潜在不稳定体支护参数见表5-2。

计算表明：假设结构面在洞室开挖范围内全贯通且100%连通时，会存在较大的潜在不稳定楔形体，要使其达到2.0以上的稳定性系数要求，需要加强支护，锚杆最大长度需要达到9m，间距需达到1.0m×1.5m。根据已开挖的洞室所揭露的本工程的地质条件显示，这种可能性极小。考虑爆破对洞室一定范围内结构面的影响而造成其粘聚力变小(L=5m，c’＝0)。针对这种情况进行支护计算，主厂房采用φ28锚杆(L=6m，间排距1.8m×1.8m)支护，能满足厂区主要洞室群潜在不稳定楔形体的支护要求。

6 结语

影响围岩块体稳定性的因素较多。本次计算根据厂房7种软弱结构面组合计算，各洞室还有其它产状的相对软弱面形成不稳定的楔形体。通过对主厂房的楔形体稳定性和支护进行计算分析，了解其主要出露位置和破坏形式，为厂房的系统支护提供参考，并不作为地下厂房支护设计的依据。在主厂房开挖过程中需针将实际存在的不稳定楔形体清除或及时支护，以确保洞室的安全。