水電站地下洞室塊體穩(wěn)定性研究

陳嘉國(guó)　陳貴文

【摘 要】目前，由于我國(guó)近些年水電工程施工數(shù)量較多，很多工程環(huán)境各不相同，因而影響水電站地下洞室安全的因素也逐漸的增大，其中塊狀的穩(wěn)定性是影響水電站地下洞室安全的主要因素。所以，在進(jìn)行地下洞室開(kāi)挖時(shí)，對(duì)于地下洞室的整體穩(wěn)定性研究是十分重要的，本文通過(guò)對(duì)地下洞室和巖體應(yīng)力變化的主要內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析，對(duì)地下洞室塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行了一定的研究。

【關(guān)鍵詞】水電站；地下洞室；巖體應(yīng)力；塊體；穩(wěn)定性

在水利工程中，地下洞室的開(kāi)挖有著十分重要的意義，它的安全問(wèn)題直接關(guān)注到整個(gè)水利工程的質(zhì)量，因此在進(jìn)行地下洞室開(kāi)挖的時(shí)候，我們必須要保證對(duì)地下洞室的各個(gè)工程環(huán)境因素進(jìn)行勘察，確保地下洞室的安全性得到保障，這樣也有利于我國(guó)水利工程的發(fā)展。其中巖塊的穩(wěn)定性是影響水利工程地下洞室安全的重要因素，而巖體的穩(wěn)定性和地下洞室?guī)r體的應(yīng)力變化有關(guān)，因此我們進(jìn)行分析討論的時(shí)候，一定要對(duì)其地下洞室的巖體應(yīng)力進(jìn)行一定程度的分析。下面我們就以實(shí)際案例為例來(lái)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的分析和處理。

1.地下洞室的概述

地下洞室泛指于在地表以下巖土體中修建的各種形式和用途的建筑。地下洞室是巖土工程中的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、交通、采礦、水利水電、國(guó)防等部門(mén)，如作為地下工廠、交通隧道、礦山巷道、水電站地下廠房、地下商場(chǎng)、儲(chǔ)備倉(cāng)庫(kù)、地下防空洞等等。

地下洞室的共同特點(diǎn)是：都建設(shè)在地下巖土體內(nèi)，具有一定斷面形狀和尺寸，并有較大延伸長(zhǎng)度。地下洞室的斷面形狀一般有曲線(xiàn)型、折線(xiàn)型和兩者的組合型。地下洞室斷面形狀的選擇，應(yīng)考慮洞室的用途和服務(wù)年限、洞室的圍巖性質(zhì)、巖土體地應(yīng)力的分布特征；洞室的支護(hù)或襯砌方式和材料等因素綜合確定。一般地來(lái)講，曲線(xiàn)型洞室（圓形、橢圓形和馬蹄形等）的穩(wěn)定性較好，對(duì)周?chē)鷰r土體的穩(wěn)定有利。折線(xiàn)型洞室（矩形、方形和梯形等）的斷面利用率高、施工方便、開(kāi)挖工藝簡(jiǎn)單。洞室的尺寸主要取決于洞室的用途，一般性隧道高（或?qū)挘┰? m-5m，有些可達(dá)20m以上，而地下廠房的斷面則要大得多，一般高度可達(dá)60m-70m，寬度在20m-35m之間。洞室可分為過(guò)水的和不過(guò)水的（如交通隧洞）兩大類(lèi)。

洞室周?chē)膸r土體通稱(chēng)圍巖。狹義上，圍巖常指洞室周?chē)艿介_(kāi)挖影響，大體相當(dāng)?shù)叵露词覍挾然蚱骄睆?倍左右范圍內(nèi)的巖土體。由于初始地應(yīng)力的存在，洞室開(kāi)挖勢(shì)必打破原來(lái)巖（土）體的自然平衡狀態(tài)，引起洞室周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的巖（土）體應(yīng)力重新分布，有的圍巖的強(qiáng)度能夠適應(yīng)變化后的應(yīng)力狀態(tài)，可不采取任何人力措施，便能保持洞室穩(wěn)定；但有時(shí)因圍巖強(qiáng)度低，或其中應(yīng)力狀態(tài)的變化大，以致圍巖不能適應(yīng)變化后的應(yīng)使巖土體產(chǎn)生變形、位移，甚至破壞，若不加固或加固而未保證質(zhì)量，都會(huì)引起破壞事故，對(duì)施工、運(yùn)營(yíng)造成危害。工程中將洞室開(kāi)挖后周?chē)l(fā)生應(yīng)力重新分布的巖（土）體稱(chēng)為圍巖。

地下洞室突出的工程地質(zhì)問(wèn)題是圍巖穩(wěn)定問(wèn)題。尤其象地下飛機(jī)庫(kù)、大跨度引水隧洞和水電站地下廠房等大型洞室的因巖穩(wěn)定性，常常是工程地質(zhì)研究的重點(diǎn)；礦山采空區(qū)常出現(xiàn)獨(dú)特的工程地質(zhì)現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外建筑史上因洞室圍巖失穩(wěn)而造成的事故，為數(shù)不少。如澳大利亞悉尼輸水壓力隧洞，混凝土襯砌。使用期間在300m長(zhǎng)的地段上，發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)有壓水大量滲入圍巖而達(dá)地表。放空檢修發(fā)現(xiàn)在100m的內(nèi)水水頭作用下，襯砌被破壞，洞頂圍巖被掀起，出現(xiàn)裂縫，錯(cuò)開(kāi)距離多達(dá)1.0-2.0cm。

2.塊體理論

巖體的穩(wěn)定性的分析方法有很多種，塊體理論就是其中的一種，并且由于這種理論對(duì)巖體結(jié)構(gòu)和力學(xué)指標(biāo)，都有著比較系統(tǒng)的分析，因此目前在水電站的地下工程中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)在進(jìn)行地下洞室開(kāi)挖時(shí)，對(duì)已知的巖體結(jié)構(gòu)和工程作用力進(jìn)行一定的分析處理，而且將洞室四周和洞室頂部不穩(wěn)定巖塊的應(yīng)力，作為工程處理的依據(jù)，并且對(duì)其進(jìn)行逐步的開(kāi)展了一系列的穩(wěn)定研究。而且據(jù)地下洞室?guī)r體的相關(guān)規(guī)律，我們可以了解到當(dāng)?shù)叵露词規(guī)r體的徑向應(yīng)力開(kāi)始減少時(shí)，切向應(yīng)力也開(kāi)始在增大，而局部的應(yīng)力也開(kāi)始的集中，因此我們可以將地下洞室的巖體穩(wěn)定性，看成一種穩(wěn)定的變量，當(dāng)其中的一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候巖體的穩(wěn)定性也會(huì)發(fā)生變化。因此，在運(yùn)用塊體理論對(duì)地下洞室的塊體的應(yīng)力進(jìn)行分析的時(shí)候，我們主要從塊體的穩(wěn)定性和活動(dòng)性進(jìn)行分析處理。

2.1塊體的穩(wěn)定性

在進(jìn)行塊體穩(wěn)定性進(jìn)行研究的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)影響塊體的穩(wěn)定性的因素有很多，其中做主要的因素就是塊體的中存在的靜滑力，而對(duì)巖塊靜滑力的變化的因素主要包括主動(dòng)力合力、作用于歡動(dòng)的法相反作用力和滑動(dòng)面上的切向摩阻力合力等各方面因素，因此在對(duì)塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，我們就通過(guò)這些方面的因素，進(jìn)行計(jì)算研究，當(dāng)計(jì)算結(jié)果為正值的時(shí)候，這塊體的穩(wěn)定性就存在著不足，而為負(fù)值的時(shí)候你就表面滑動(dòng)面上的應(yīng)力小于摩擦阻力，因此地下洞室就處于一個(gè)平衡的狀態(tài)。

2.2塊體的活動(dòng)性

由于地殼在進(jìn)行不同的運(yùn)動(dòng)，水電站的地下洞室的塊體就具有一定的活動(dòng)性。目前，在地下洞室塊體的運(yùn)動(dòng)中，主要存在著三種不同的活動(dòng)方式，它們分別是直接掉落的方式、沿單面滑面滑動(dòng)的方式和沿雙滑面滑動(dòng)的方式。直接掉落的十分主要是和塊體的運(yùn)動(dòng)方向，當(dāng)主動(dòng)力的合力方向和可動(dòng)巖塊的運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，塊體就會(huì)出現(xiàn)直接掉落的現(xiàn)象；沿單滑面滑動(dòng)則是指塊體的運(yùn)動(dòng)方向和某一結(jié)構(gòu)面平行作用而產(chǎn)生滑落的現(xiàn)象，這主要使得和主動(dòng)合力在某一平面的投射方向有關(guān)。而雙向滑面滑動(dòng)則和單向滑動(dòng)的原理有著類(lèi)似的關(guān)系，但是由于塊體的作用面和主動(dòng)合力的投射方向不同，而進(jìn)行雙面的滑動(dòng)。

3.某地下洞室開(kāi)挖圍巖應(yīng)力場(chǎng)的演化

某水電站地下洞室開(kāi)挖前，地層處于彈性狀態(tài)，在開(kāi)挖初期，圍巖應(yīng)力場(chǎng)相比于最初的應(yīng)力場(chǎng)變化不大，構(gòu)造應(yīng)力較高，洞室內(nèi)可動(dòng)塊體基本處于極限布的演化，主廠房?jī)?nèi)層的巖體由于應(yīng)力釋放形成松動(dòng)圈，這種圍巖條件，塊體賦存的應(yīng)力環(huán)境發(fā)生了改變，在沒(méi)有支護(hù)和襯砌等加固措施時(shí)，這些可動(dòng)塊體只受自身重力和結(jié)構(gòu)面摩擦力、粘聚力的作用，穩(wěn)定性降低，部分塊體穩(wěn)定性會(huì)降低到臨界狀態(tài)之下發(fā)生破壞。

4.某地下洞室塊體穩(wěn)定性分析

某水電站地下洞室主軸方向?yàn)镹E25。長(zhǎng)297m，寬30-m，高57.1 m。地應(yīng)力大小為21～23MPa，SN方向13-14 MPa，豎直方向79 MPa，WE方向。根據(jù)塊體理論，依據(jù)地下洞室編錄圖對(duì)洞室進(jìn)行塊體穩(wěn)定性分析，得到的兩種應(yīng)力狀態(tài)下關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性見(jiàn)表1。計(jì)算表明，在不考慮圍巖應(yīng)力場(chǎng)作用時(shí)，地下洞室分布的8個(gè)可動(dòng)塊體穩(wěn)定性均有不同程度的降低，并且塊體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后滑移方向發(fā)生改變。其中11、86、87號(hào)塊體由原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化到不穩(wěn)定狀態(tài)，40號(hào)塊體穩(wěn)定性降低到0，直接掉落。在地下洞室開(kāi)挖初期塊體穩(wěn)定性系數(shù)較大，隨著時(shí)間的推移，滑動(dòng)方式發(fā)生改變，穩(wěn)定性降低，甚至發(fā)生破壞，表明塊體穩(wěn)定性不是～成不變的，而是隨圍巖應(yīng)力演化狀態(tài)變化的過(guò)程而改變。

5.結(jié)論

由此樂(lè)見(jiàn)，在進(jìn)行地下洞室開(kāi)挖前，整個(gè)洞室的圍巖都是處于應(yīng)力調(diào)整的階段，而且各種彈性應(yīng)力都還沒(méi)有進(jìn)行完全的釋放，因此要從巖體的整體性的各方面的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，然后在施工開(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)力的提供，以免在施工工程中對(duì)洞室?guī)r體的穩(wěn)定性進(jìn)破壞從而導(dǎo)致，整個(gè)建筑工程都受到影響。所以，為了保障水利工程中各個(gè)項(xiàng)目都能正常運(yùn)行，我們就要對(duì)水利工程的地下洞室的穩(wěn)定性進(jìn)行合理的研究，從而保證地下洞室的安全。

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