（岩土工程专业论文）乌江渡扩机工程地下洞室群围岩稳定性分析评价.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责1 乇 论文作者签名：避卢f 口月吁日 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期问所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容。可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名：妞导师签名：至李 3 虞叩年f 。月雌日 乌江渡扩机工程地下洞室群 围岩稳定性分析评价 学科：岩土工程 作者：张体忠 导师：李宁教授 罗小黔高工 答辩日期：2 0 0 4 1 0 善需：氅 导师：驾彳 猡扣彩 摘要 地f 洞室群围岩稳定性分析是水利水电工程勘测、设计、施f ：及安全运行的基 础。本论文立足于围岩是一种具有自稳能力的结构体这基本观点，综台应用1 ：程 地质理论、块体极限平衡理论、统计分析理论、位移变形监测及反馈分析等【。程方 法，分析强喀斯特条什f 洞室围岩特性及关键块失稳情况；并结合一维模删试验w f 究结果、锚喷支护设计施 _ 等，对本课题围岩稳定性问题进行较为全面的、深入细 致的分析评价，为电站的建设和安全运行服务，同时也能丰富喀斯特地阢。地- 洞室 群罔岩稳定性分析评价数据库系统，为同类型工程建设提供有益的参考。 _ ；三维数学模型综合考虑了地下洞室布置区岩体结构场、岩体应力场和地下水渗 流场的作用，较为符合t 程现场实际，其分析结果能为_ 程支护设计提供数据基础。 地f 涧室围岩变形监测及信窟反馈成果对施上安全、险情预报、设计支护参数的凋 整、工法及 序选择和稳定性分析方面都很重要。合理的开挖断面设计、施匝序、 施工方法等能有效控制住_ 二次应力重分布所带来的围岩松弛、破损等，有利丁闹岩 稳定。喀斯特溶蚀和地r 水的存在削弱了岩体的完整性，使洞室围岩的弹性抗力系数 人大降低，同岩受力情况较为复杂，稳定- 陛差别较大，需耍进行针对性的施l 。处置。 关键词：喀斯特地下洞群稳定分析工程处簧监测 窒! ! ! ! ：! a n al y s i sa n de m u a t i o no fs t a b i l i t yo ft h e s u r r o u n d i n gr o c k so ft h eu n d e r g r o u n d c a v i t i e sf o rw u j i a n g d ue x t e n d i n g e n g i n ep r o j e c t s u b je c t ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g a u t h e r ： z h a n gt i z l l o n g a d v i s o r ：p r o l l in i n g s e n g i n e e r l u ox i a o q i a n a b s t r a c t d a t e ：0 c t2 0 0 4 a u t h e r ：( s i g n a t u r e ： 匀 罗扣髟 t a b i l i t ya n a l y s i so ft h es u r r o u n d i n gr o c k so ft h eu n d e r g r o u n dc a v i t i e si st h e f o u n d a t i o no fi n v e s t i g a t i o n 、d e s i g n 、c o n s t r u c t i o n 、s a f e t ya n d p e r f o r m a n c eo i l h y d r o p o w e re n g i n e e r i n g t h i sa r t i c l eb a s e do nt h es u r r o u n d i n gr o c k sb e i n gas t r u c t u r e m a s so fs t a b i l i z e r ，i ta p p l i e dm u l t i p u r p o s et h em e t h o do f e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lt h e o r y 、 b l o c ku l t i m a t e e q u l i b r i u mt h e o r y 、s t a t i s t i ca n a l y s i st h e o r y 、t h em o n i t o r i n g o f d e f o r m a t i o no fd i s p l a c e m e n ta n df e e d b a c ka n a l y s i se t c ，i ta n a l y s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es u r r o u n d i n gr o c k so fc a v i t i e sa n dt h e s i t u a t i o no fu n s t a b l eb l o c km a s s i tf u l l y a n a l y s e da n de v a l u a t e dt h eq u e s t i o no ft h es t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c k s ，w i t ht h e e f f e c to ft h r e ed i m e n s i o n a lm o d e lt e s ta n dt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h es h o l c r e t e s u p p o r te t c ，e n s u r i n gt h a ts a f e t ya n dp e r f o r m a n c eo f h y d r o p o w e rp l a n t i tc a na l s oa d d t h es y s t e mo fd a t a b a n ka b o u ts t a b i l i t ya n a l y s i sa n de v a l u a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c k s o ft h eu n d e r g r o u n dc a v i t i e sa tk a r s td i s t r i c t a n dp r i v i d ec e r t a i n e x d c r i e n c ea n dl e s s o n s f o rt h ec o n s t r u c t i o no fs i m i l a rp r o j e c t t h r e ed i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lc o n s i d e r st h ec o n s e q u e n c eo fr o c km a s s s t r u c t u r e f i e l d 、r o c km a s ss t r e s s f i e l da n du n d e r w a t e rs e e p a g e f i e l d ，i t so u t c o m ec a n 西安理工大学工程硕士专业学位论文 p r o v i d ed a t af o u n d a t i o nf o rt h em e t h o do fe n g i n e e r i n gm e a s u r e t h em o n i t o r i n go f d e f o r m a t i o no fd i s p l a c e m e n ta n dt h ee f f e c to fi n f o r m a t i o nf e e d b a c ka r ci m p o r t a n lf o r t h es a f e t yo f c o n s t r u c t i o n 、d a n g e rf o r e c a s t i n g 、a d j u s t m e n to f t h ep a r a m e t e ro f d e s i g na n d s u p p o r t 、s t a b i l i t ya n a l y s i s a n ds e l e c t i o no fc o n s t r u c t i o no fm e t h o d sa n d p r o c e d u r e s r e a s o n a b l ew o r k m a n s h i pc a nc o n t r o lt h ec o n s e q u e n c eo fs u b s t r a i no ft h e s u r r o u n d i n gr o c k s ，a n dp r o f i ts t a b i l i t yo f t h es u r r o u n d i n gr o c k s k a r s ta n du n d e r w a t e r w e a k e nt h ep e r f e c t i o no f r o c km a s s ，a n dh a v et h ef a c t o ro f e l a s t i c i t yr e s i s t a n c ed e c l i n e ， t h e s el e a dt oc o m p l e xi ns i t u a t i o no fm e c h a n i c so ft h es u r r o u n d i n gr o c k s ，t h e r ea r eb i g d i f f e r e n ts t a b i l i t y ，a n dm u s tb e e nh a n d l e d k e yw o r d ：k a r s t ，u n d e r g r o u n dc a v e r ng r o u p s t a b l ea n a l y s i s ，e n g i n e e r i n gh a n d l i n g 绪论 1 绪论 随着我国水利水电工程设计和施工技术及设备的不断发展完善，以 地下厂房为代表的地下洞室群因具有施工干扰少、工期短、投资省等诸 多优点而被大量采用。据不完全统计，五十多年来，我国已建和在建 地下厂房近5 0 座，各类水工隧洞总长约5 0 0 公里，地下厂房跨度已由2 0 世纪5 0 8 0 年代的小于2 0 m 发展到3 0 m 左右，高度则由低于4 0 m 增加 到6 0 m 以上，如已建二滩水电站厂房跨度2 5 5 m ，高度6 5 8 3 m ，长度 2 8 0 2 9 m ，为中国之最。在建的龙滩水电站地下厂房跨度2 8 5 m ，高度 7 6 4 m ，长度3 8 8 5 m ，是目前世界上规模最大的地下厂房。 水电站地下洞室群是由地下厂房、主变压器室、尾水调压室三大洞 室及压力管道、分管、尾水洞、出线洞、交通洞等组成的一个纵横交错 的地下洞室系统，因开挖施丁改变了洞室周围岩体中原有的应力状态， 导致洞室岩体发生应力二次分布、围岩的变形复杂，破坏效应极为突出。 对地处强喀斯特工程地质区的水电站发电厂房等地f 洞室群来说，由于 受断层、溶蚀和地下水影响，围岩稳定性情况更为复杂。 地下洞室群围岩的稳定性分析是水利水电工程勘测、设计、施工及 安全运行的基础。上世纪8 0 年代以前，我国水利水电工程的设计思想基 本上把洞室围岩看着荷载，衬砌承担围岩荷载和内外水压力，以维持洞 室田岩的稳定。其设计理论是基于散体介质建立的普氏塌落拱理论，并 扩大应用于非散体介质。后来，数值计算“1 技术有了发展，但此时对围 岩的工程地质评价，仍多侧重定性描述和确定围岩的坚固系数f 值和罔 岩的单位弹性抗力系数k 0 值“1 1 ，并据此进行衬砌支护设计。上世纪9 0 年代以来，随着地下： 程实践经验的积累和深化，工程界逐步认识到地 f 洞室群围岩也是一种具有自稳能力的结构体，引起了设计的基本观点 和思想的改变和发展，带来了地下洞室群围岩稳定性分析评价观点的改 西安理工大学工程硕士专业学位论文 变。目前，地下洞室群围岩的稳定性分析评价被看作是一个复杂的非线 性问题，国内外专家学者大多以系统论的观点，从多凶素、多方法的角 度进行综合的分析评价。本论文立足于尉岩是一种具有自稳能力的结构 体这一基本观点，通过乌江渡扩机工程地下洞室群围岩稳定性评价( 预) 资料，地下洞室群选型、布置及施工过程中开挖、支护、围岩稳定监测 等信息资料的分析研究，对完建后的乌江渡扩机工程地下涮室群围岩稳 定性进行后评价，对同类型工程具有一定的借鉴和指导意义。 1 2 地下洞室群围岩稳定性分析研究现状及发展趋势 1 2 1 研究现状 a 基本观点和内容 通过越来越多的地下工程实践，工程界深刻认识到地下洞室群围岩 也是也是一种具有自稳能力的结构体，而不再是单纯的荷载来源，即围 岩结构的观点。这一突破，极大地促进了岩石力学学科的发展。在洞室 设计实践中，设计主导思想是：围岩本身就是承担洞室荷载的主要结构， 衬砌或者支护只是加固围岩，提高其自稳能力的工程结构措施，同时强 调围岩和衬砌或者支护联合为一整体，共同发挥承载作用，以保持围岩 的稳定性。这种设计观点和思想的变化与发展，带来了地卜洞室圈岩稳 定性评价的变化，即以勘察研究围岩岩体结构为主线，多因素综合评价 咧岩岩体的质量，划分不同的围岩类别，分别评价其整体性和设计支护 及衬砌；同时对大型的或主要的洞室，查明由软弱结构面所构成的对洞 室围岩稳定不利的特定块体及其物理力学性质，并对其局部稳定性进行 分析评价，为特殊的、局部的加固处理提供所需设计资料。在工程实践 中，围岩结构的观点贯穿于围岩稳定性分析评价的全过程。 大量的工程实践，积累了丰富的围岩稳定性分析经验，其主要分析 绪论 内容有： ( 1 ) 以围岩岩体结构类型划分为基础，对围岩总体质量和整体稳定性 进行定量评价。其基本工作要求查明围岩的岩性、强度和抗形变特性， 围岩的完整性，结构面性状与方位，围岩的透水性利含水性，地应力状 态等； ( 2 ) 对于大型或主要的地下洞室，尚需进行洞室局部围岩稳定性的分 析评价，其重点是顶拱、边墙和端墙部位对稳定不利的关键块体； ( 3 ) 进一步研究围岩失稳机制，有针对性地选择相应的分析、计算利 评价方法； ( 4 ) 研究洞室开挖后二次应力场对围岩稳定性的影响及洞室群的相 互影响，评价围岩破损类型、程度及其范围，预防岩爆； ( 5 ) 软弱围岩的长期强度、流变特性及工程意义研究； ( 6 ) 研究外水压力、内水外渗压力及其对裂隙岩体和裂隙充填物的水 敏反应，评价其对围岩稳定性的不利影响： ( 7 ) 查明围岩及其上覆岩体的水文地质条件，预防丌挖后可能出现的 构造涌水或喀斯特突水突泥给工程带来不利影响： ( 8 ) 对开挖及运行过程中可能产生的有害物质，深埋洞室地温等进行 预评价和防范研究； ( 9 ) 在研究区域及工程区喀斯特发育规律的基础上，采用综合勘探方 法，探明和预测洞室喀斯特工程地质条件和水文地质条件，为洞室的选 址及喀斯特工程处置提出建议。勘察研究地下高压管道及岔管布置区岩 体的完整性、物理力学特性，高压水流作用下渗透性及地应力场，为研 究地下管道的布置深度、位置、形式以及支护选型提供地质资料； ( 1 0 ) 研究洞室支护后围岩特性的可能变化以便采取补强措施； ( 1 1 ) 采用试验洞测试和旖工期监测等手段，对洞室开挖的空间效应、 时间效应、应力调整效应：包括开挖后的二次应力场和支护后的二次廊 力场，支护与围岩的相互作用，应力应变分析等进行分析研究； 西安理工大学工程硕士专业学位论文 ( 1 2 ) 地下建筑物枢纽区场地，地震安全性评价及隧洞所经活断层的 活动性处理研究。 b 研究理论和方法 ( 1 ) 针对不同的围岩介质特性及可能的失稳机制类型，分别采用或综 合采用散体理论、弹性理论、弹塑性理论、塑性理论及块体极限平衡理 论，对围岩的应力分布及其变化、变形及稳定性进行研究，预测洞室开 挖所引起的围岩破坏情况，研究合适的施工程序及加固处理措施； ( 2 ) 工程地质勘察时，在对地下建筑物区域开展高分辨率遥测遥感地 质解译的基础上，对重点部位：如厂房枢纽区、调压井和高压管道布置 区等，有针对性地进行洞探和钻探。使用岩体弹性波速、点荷载强度、 回弹值测试等手段对围岩进行工程地质调查，以更多地获取有关岩体力 学特性的量化资料，并着重进行系统分析。在进行相关资料分析整理时， 强调剖面分析、赤平极限投影分析、实体比例投影分析、块体分析等， 以便于从宏观上把握区域软弱结构面的空间展布及其组合，节理裂隙的 发育规律及其组合，为洞室的位置选择、轴向确定以及围岩稳定性分析 计算提供详尽的资料； ( 3 ) 岩体力学测试手段在大型地下洞室的勘探研究工作中有了广泛 的应用。除常规的岩体物理力学性质测试外，还展开了现场模拟试验洞 围岩的收敛与变形监测，研究洞室开挖后的空间效应、时间效应、应力 调整效应，为围岩实体开挖、支护及其处理提供可靠资料。同时利用监 测所积累的围岩变形资料，进行位移反分析，获驭能代表更大范围围岩 的实际力学参数地应力及弹模等。在施工过程中对围岩变形进行监 测，并据此开展反馈分析和设计优化。关于岩体的天然应力测试，较为 普遍的是采取在探洞中应用钻孔应力消除法量测三维应力值；而深孔水 压辟裂法测试地应力多运用于高压管道的勘测中；此外，也开展了定向 试样的室内测试地应力工作，如利用凯塞( k a i s e r ) 效应法、饼芯反演法、 裂纹闭和法等。根据实测地应力成果进行地应力场的回归分析； ( 4 ) 在喀斯特地区地下洞室地球物理探测方两，除了常规的电法、地 震法外，还应用了层析成像技术( c t 法) ，如勘探点间电磁波或弹性波 穿透c t 成像，以及超高平频电磁波法地质雷达、钻孔电视和甚低频 电磁波测试等，对探测喀斯特洞穴和研究喀斯特发育程度，均取得了较 好的效果； ( 5 ) 计算机数学模型研究和相似材料地质力学模型研究、光弹模型试 验研究等是地下洞室围岩稳定性室内分析研究的主流： ( 6 ) 对围岩稳定性的工程地质评价，主要是进行深入的工程地质分 析，以定性评价为基础，定性和定量相结合，进行洞室工程地质条件的 分段评价及围岩分类，评价围岩的整体稳定程度和潜在的特定软弱结构 面不利组合的局部稳定性。在分析评价中，作为一种辅助手段，也引入 了计算机开展有限元、边界元等数值分析。 c 研究成果 ( 1 ) 上世纪八十年代，结合当时的工程实践，重点开展了围岩稳定、 岩石力学性状、支护设计理论和计算方法方面的研究，主要成果有： 水电地下工程围岩分类方法。后又经过补充和完善，纳入到 g b 5 0 2 8 7 9 9 水利水电工程地质勘察规范中。 地下洞室围岩应力应变特性和测试技术。为围岩稳定分析三维计算 研究和试验提供了可行的参数； 地下洞室围岩稳定和支护的模型试验； 地下洞室围岩稳定和支护的有限元、边界元分析； 地下洞室运行期监测和反馈； ( 2 ) 上世纪九十年代以来，在大批大型工程实践中有针对性地开展了 各据特色的施工生产性科研，取得了较为突出的成果： 较高地应力条件下，坚硬裂隙块状岩体中大型地下洞室群围岩稳定 西安理工大学工程硕士专业学位论文 及其支护研究： 较低地应力条件下，缓倾角硬、软交替层状岩体中大型地下洞室群 围岩稳定及其支护研究； 高水头电站地下压力管道围岩稳定及其支护研究； 喀斯特区地下水工建筑物围岩稳定及其支护处理研究。 1 2 2 发展趋势 ( 1 ) 围岩稳定性地质因素的综合研究； ( 2 ) 系统分析方法的运用； ( 3 ) 围岩分类多因素综合评价： ( 4 ) 设计理念的突破与发展； ( 5 ) 计算技术在围岩稳定性计算分析中的应用 ( 6 ) 专家系统和数据库的工程意义。 1 2 3 存在的问题 ( 1 ) 洞室围岩失稳形式 岩体本身是一种复合体，其破坏机理很复杂，除沿块体组合交线产 生破坏外，还会出现大范围内的整体失稳，如洞室边墙滑动等，二者问 相关性问题求解； ( 2 ) 地质概化模型研究洞室稳定性问题 目前应用较多的有限元法、边界元法等三维模拟数值分析方法，其 数据基础是前期地质资料和试验数据经过统计处理后得出的，一般仅考 虑控制性结构面组合及相关参数，这就产生了计算精度问题。更深层次 的是稳定性临界问题，它影响着投入产出的工效； ( 3 ) 关键块体分析 一方面，为了便于分析求解，都将岩石块体所受的力简化为确定方 绪论 向的合力1 6 1 。而实际上块体受力很复杂，它包括有重力、地应力、水压 力和施工时的其他外力如爆破振动等。另一方面，块体结构的变形和破 坏影响怎么考虑。两方面都直接影响到相关的计算分析成果； ( 4 ) 岩体结构场、岩体应力场和地下水渗流场的有机整合三维分析 等。 1 3 本研究的目的和意义 1 3 1 研究目的 通过乌江渡扩机工程地下洞室群围岩稳定性评价( 预) 资料，地下洞室 群选型、布置及施工过程中开挖、支护、围岩稳定监测等信息资料的分 析研究，对完建后的乌江渡扩机工程地下洞室群围岩稳定性作出后评价， 为电站的安全运行服务。 1 3 2 研究意义 丰富喀斯特地区地下建筑物围岩稳定性评价数据库系统，为同类型 工程建设提供有益的参考。 1 4 本文的研究思路和主要内容 1 4 1 研究思路 ( 1 ) 通过归纳整理，分析总结国内外喀斯特地区地下洞室群围岩稳定 性研究的一般方法； ( 2 ) 以定性评价为基础，定性与定量相结合，对位于强喀斯特工程地 质区的乌江渡扩机工程地下洞室群围岩稳定性进行综合评价。综合运用 工程地质理论、块体极限平衡理论、统计理论、位移变形监测等工程方 西安理工大学工程硕士专业学位论文 法，分析强喀斯特条件下洞室围岩特性及关键块失稳情况；结合三维模 型试验研究结果、锚喷支护设计施工等，对本课题围岩稳定性问题进行 较为全面的、深入细致的分析研究； ( 3 ) 充分利用工程全过程监测资料( 数据库) ，采用对比分析、位移 量测反分析等方法，对乌江渡扩机工程地下洞室群围岩稳定性进行后评 价，以反馈设计和施工。 1 4 2 研究内容 本课题以位于喀斯特工程地质区的乌江渡扩机工程地下洞室群为分 析评价研究本体，内容包括有： ( 1 ) 国内外地下洞室群围岩稳定性分析研究的现状和研究方法； ( 2 ) 乌江渡扩机工程地下洞室群围岩稳定性分析评价研究； ( 3 ) 地下洞室群布置、选线问题。 ( 4 ) 喀斯特工程地质区洞群旋工方法与步序。 ( 5 ) “新奥法”和关键块理论在喀斯特区围岩稳定性支护中的运用。 ( 6 ) 乌江渡扩机工程围岩稳定性评价。 乌江渡水电站扩机工程地下洞室群布置区的工程地质条件 2 乌江渡水电站扩机工程地下洞室群布 置区的工程地质条件 乌江渡水电站坝址位于川黔径向构造带中的n n e 向青冈岭倒转背斜 的东部倒转翼上。自1 9 8 3 年水电站建成投产运行以来，2 0 多年过去了， 本区域未发现基础岩体有明显不利的水文和工程地质条件变化，已建建 筑物运行正常。库坝区地震基本烈度不大于6 度，水库诱发地震最大震 级3 4 ( m l ) ，且逐年衰减，不存在构造活动性和地震设防问题。 2 1 工程布置区基本工程地质条件 2 1 1 地形地貌 扩机工程布置于对称的“v ”形河谷左岸山体内，- 山顶高程8 5 0 9 0 0 m ，河岸基岩裸露，多悬崖峭壁。 2 1 2 地层岩性 工程布置区地层为倒转层序，从上往下依次出露有：二叠系上统； 三叠系下统，包括夜郎组和茅草铺灰岩组，是工程主要布置区域，它分 为夜郎组沙堡弯页岩段( t 1 1 ) 、夜郎组玉龙山灰岩段( t 1 2 ) 、夜郎组九级 滩页岩段( t 1 3 ) 、茅草铺灰岩组( t 1 4 ) ，其中灰岩和页岩接触面都呈假整 合状态。玉龙山灰岩中软弱夹层情况见表2 1 。 2 1 3 地质构造 扩机工程布置区内虽然断裂构造发育，但除f 2 0 、f 1 2 9 规模较大外 西安理工大学工程硕士专业学位论文 主要洞室布置区主要发育、v 级断裂结构面。其中级结构面多方解 石胶结，局部溶蚀夹泥，并多拌有串珠壮溶洞发育，主要发育有下面几 组：n 1 5 。2 5 。e ，n w z 5 5 。6 5 。层问错动，如f 2 0 7 、f 2 0 9 等；n 5 0 。7 0 。e ，s e a 6 0 。8 0 。压扭性结构面：如f 2 0 2 等；n 3 0 。5 0 。w ， n e e 6 0 。8 0 。扭性结构面；如f 2 0 8 等；n 7 0 。8 0 。w ，n e e 7 0 。 8 0 。张扭性结构面；如f 2 1 0 等。 v 级结构面构造节理发育，从v 6 8 0 、v 6 4 0 层勘探平洞统计情况看： 节理以陡倾角居多，主要有：层面节理，产状n 1 5 。2 5 。e ，n w 么5 5 。6 5 。，占统计的6 0 以上，最为发育，贯通性好；n n e 近n w 向节 理，产状n 8 0 。9 0 。e ( w ) ，s e 或s w z 6 0 。8 0 。，以张性节理为 主，长度一般不大于5 m ，局部呈节理密集带出现；n w 向节理，产状 n 4 0 。6 0 。w ，n e z 6 0 。8 0 。，为扭性节理，长度一般不大于5 m ； n e 向节理，产状n 4 09 7 0 。e ，s e z 6 0 。8 0 。，为扭性节理，长度 一般不大于3 m 。此类节理多方解石胶结，局部溶蚀、夹泥。v 6 4 0 揭露 情况显示，在岩溶管道及断层破碎带附近的微风化的新鲜基岩内，节理 充填风化方解石脉、局部夹泥现象较为普遍。 表2 - 1玉龙山灰岩中软弱夹层情况表 软弱夹层层数夹层( c l l l ) 地层软弱夹层岩性特征 5 c m总计厚度间距 t l ”1 钙质、炭质、泥质页岩 5 51 97 423 702 5 t 1 2 1 2 炭质、泥质页岩与极薄层灰岩互层 3 834 1l3 1o8 3 t 1 2 1 3 薄层炭质页岩与极薄层灰岩互层 2 03 2 307 8i8 5 t t 2 2 灰质页岩与炭质薄膜 8190 2 1l3 7 5 2 1 4 岩溶 布置区岩溶发育深度和强度与岩性、构造及现代乌江侵蚀基准面的 变迁有密切关系。玉龙山灰岩段第二层( t 1 2 - 2 ) 质纯、层厚，岩溶最为 发育，一些大型水平溶洞、竖井、宽缝都集中发育于此层。各自相对独 乌江渡水电站扩机工程地下洞室群布置区的工程地质条件 立发育的水平和垂直岩溶系统连通性好。另外，布置区内还存在深部岩 溶发育，且通过f z 。断层与浅部岩溶系统存在着密切联系。 2 1 5 水文地质 工程布置区内基岩中地下水主要是岩溶地下水，受玉龙山灰岩两侧不 透水页岩层和已建大坝防渗帷幕影响，岩溶水形成独立的循环排泄系统， 仅局部因受断层( f 2 0 ) 影响而存在一定的水力联系，水力梯度仅o 0 7 o 0 8 。 玉龙山灰岩岩溶发育。岩溶地下水连通性好，具有统一的地下水位。地 下水以管流和裂隙流方式向k w 4 2 暗河凹槽带汇流，k w 4 2 暗河又以管流 形式集中排向乌江。受岩体风化、断裂切割和岩溶发育程度影响，岩体 透水均一陛差，但总体上岩体透水性有随深度增加而逐渐减弱的趋势， 具体见表2 - 2 。一般情况下，高程6 0 0 m 以下q 1 l u ；局部断裂交汇带、 主要的水平和垂直岩溶管道发育部位可至5 8 0 5 9 0 m 。河水、地下水均 为重碳酸钙型和重碳酸钙镁型水，p h 值7 ，5 4 9 8 6 ，对混凝土无侵蚀性。 表2 2 龙山灰岩透水特性表 压水透 水率 高程实验 1 0 0l o o 1 0 1 0 l 1 段数 段数 段数 段数 段数 6 3 0 m 以上5 2 23 3631 2 32 361 0 72 0 52 5 94 96 6 3 0 6 0 0 m8 711 11 41 6 12 02 3 05 25 9 8 6 0 0 m 以f 3 3o0039 1 l3o2 98 7 9 合计 6 4 23 45 31 4 02 1 81 2 81 9 93 4 05 3o 2 1 6 岩石风化及物理地质现象 布置区内灰岩、页岩相间分布，岩性不同，构造破碎程度不一，岩 石风化深度和程度办不同。灰岩质地坚硬、致密不易风化，其风化特征 以沿表层的裂隙面以及层理面风化溶蚀央泥，沿裂隙面、层面的两侧有 局部的轻微风化变质为主，地表局部可见厚2 1 0 m 的风化裂隙发育且表 l l 西安理工大学7 - 程硕士专业学位论文 面大部分变色的弱风化带。页岩以面状风化为主要类型，强风化页岩呈 松散碎块状，矿物已风化蚀变，岩石大部己变色；弱风化页岩风化裂隙 发育，裂隙壁风化剧烈，矿物己风化蚀变，岩石表面亦大部变色；微风 化页岩呈新鲜岩状，仅沿裂隙面有轻微蚀变褪色或夹泥。 页岩分布地段多沟谷，地形平缓；灰岩段多呈悬崖峭壁、构造裂隙 和卸荷裂隙发育，重力作用下的物理地质现象以崩塌和掉块为主。 2 1 7 地应力与岩石物理力学特性 a 地应力测试 在玉龙山灰岩第二大层( t 1 2 2 ) p d l 平洞内的通过水压致裂法进行了 三维地应力测试，测试成果见表2 3 、2 - 4 、2 - 5 。 表2 - 3 水压致裂法三维应力测试成果 应力单位：m p a 高程 仃j 盯，盯f f 掣f y f f 盯 6 6 2 5 329 22 8 45 9 70 3 10 6 50 1 8 6 4 1 6 131 53 0 46 0 40 3 00 7 2o 0 8 ol m p ao 2m p a o3m d a 大小倾角方位角大小倾角方位角 大小倾角方位角 6 6 2 5 36 1 27 7 62 9 0 43 0 91 0 21 4 5 92 5 27 1 05 4 7 6 4 1 6 16 2 l7 6 82 8 1 83 3 29 1 01 4 8 9 2 7 096 05 7 4 注：x 轴为正北向，y 轴为正东向，z 轴为垂直向下。 袭2 4 应力分量表( 单位为m p a ，轴x 为7 0 ) 应力单位：m p a 高程( m ) 盯 6 p盯=石叫 r y2f 盯 6 5 8 2 72 6 53 l l5 8 40 2 20 3 9一o5 4 6 3 7 3 52 8 63 3 35 8 9 0 2 00 3 20 6 3 注：轴x 为7 0 。 乌江渡水电站扩机工程地下洞室群布置区的工程地质条件 表2 - 5 应力分量表 席力单位：m p a 高程( m ) 盯 盯y盯z f 川 r ，z f 舡 6 5 8 2 731 92 5 758 4o0 2o 3 705 5 6 3 7 3 534 02 7 95 8 9o 0 20 4 805 2 注：轴x 为1 4 0 。 上面的三维地应力测试成果表明：本区内岩体应力场以自重应力场 为主，水平向最大正应力仅3 4 m p a ，属中低水平地应力区。 b 岩石物理力学特性 现场进行了大量的岩体变形特性实验、岩体抗剪断试验和室内试验， 试验成果见表2 - 6 2 一ll 对试验成果进行分析、总结，有以下初步结论： 新鲜完整的灰岩本身的变形特性是均一的、各向同性的，v o = 6 0 0 0 6 1 0 0 m s ， e d = 8 1 5 g p 。与室内小岩块试验值相近。 炭质页岩夹层的e a 值大小取决于夹层中炭质页岩的厚度和风化程 度。微风化至新鲜的炭质页岩的e 。值仅为新鲜完整灰岩的4 0 6 8 。 地震波测线长度大，较真实地反映了夹层、断裂构造、溶蚀风化等 不利地质因素对岩体变形特性的影响，其实测岩体e 值与野外现场静弹 模值较为接近。 地层、岩性是影响e d 值大小的主要因素，如沙堡弯页岩和九级滩页 岩的e d 值仅为玉龙山灰岩的3 0 5 0 。 相同地层中，夹层、断裂构造、风化溶蚀等不利地质因素是影响岩 体e d 值的主要因素，受上述不利地质因素均化影响，岩体不同方i 司的e 口 值虽有差异，但宏观上已不明显。 岩体e d 值有随高程降低而增大的趋势。一般是v 6 3 0 m 以下比其上高 出1 0 2 0 。 西安理工大学工程硕士专业学位论文 表2 - 6 岩石现场声波测试成果表 点 波速( v p m )动弹性模量e d 地层岩性测线方向 数 m s6 p a 灰t 1 2 。13 9 不同向( 明0 6 3 0 0 ) 6 0 4 0( 7 1 4 8 74 ) 8 1 5 l u 石 t 1 2 2 3 不同向 ( 6 8 3 6 2 0 0 ) 6 0 7 0( 7 5 0 8 49 ) 8 15 1 2 平行夹层( 4 2 7 5 9 3 0 ) 5 2 6 0( 3 6 0 6 90 ) 5 54 r 炭质页岩夹层 4 1 垂直夹层 ( 8 3 4 5 4 6 0 ) 4 0 5 0( 1 1 5 76 ) 3 2 5 破方解石胶结 1 5 0 0 04 i 6 碎 夹泥、胶结 1 2 0 7 0 67 带 破碎夹泥16 6 8o 6 注：( ) 内数字为变幅范围值其余为均值。破碎带包括断层等。 表2 7p d - 平洞洞肇岩体地震波连续测试成果表 洞段长度m ) 2 2 1 65 17 3 82 2 v p m s 5 2 0 0 6 3 0 05 0 0 03 7 0 0 4 4 0 02 6 0 0 3 5 0 01 8 0 0 波速 v s 3 0 0 0 3 1 0 02 9 0 02 0 0 0 2 5 0 01 3 0 0 1 9 0 08 0 0 动弹模 e dg p a5 9 7 6 3 1 6 5 5 22 7 6 4 1 9 3 1 2l 2 4 7 7 4 5 9 动泊松比 0 2 5 0 2 402 50 2 9 o2 6o3 3 0 2 9o 3 8 岩体完整性系数k ， 0 7 5 0 7 80 6 90 3 8 05 4o 1 9 0 3 40 0 9 岩体完整程度完整较好较破碎破碎极破碎 注：完整岩石v p = 6 0 0 0m s ：测试洞段总长度1 6 5 m ，测线走向与岩层走向 灾角4 0 。5 0 。 表2 - 8混凝土岩石现场抗剪( 断) 试验成果表 地 地质概况 抗剪断强度抗剪强度砼强度 层 t g c ( m p a ) t g c ( m p a ) ( m p a ) t 1 1微风化钙质页岩l4 74 0 01 0 22 2 02 8 5 微风化较完整薄层灰岩 1 1 314 01 1 0 08 2 1 i 5 t l 1 5 2】1 00 9 0 o1 0l 】 微风化较完整中厚层灰岩 1 2 93 4 51 j 7 1 0 02 8 7 1 3 5 1 7 51 3 50 2 01 6 8 t 1 “ 微风化厚层完整灰岩 13 3 l7 511 3o 7 09 6 o 7 21 1o 0 51 2 o 新鲜方解石脉 o 9 51 0 4o 3 92 5 o 乌江渡水电站扩机工程地下洞室群布置区的工程地质条件 召盘 幅。 丑 衽 煨 g 心 燃 蛰 嗵 剁 妞 渊销剁 恤妞 髫 粼 根踏越 懈懈 根 撼剿 _ | 缸妞 齄 把 m粼嘻 球 球 群 螂煞 糕赵 嗯 哩 滟 j k建 - 餐昶 剐 篮避 鼙 幢 藤糕 碟碟 蜓 抛 j m m忙畦 喽衄昶 叫j 佴- 舞 柽： 糕 糕惜 疆 ；| 】 ) 一书的出版标志着块体理论“”在工程 上的应用。 块体理论包括如下几方面：全空间赤平投影法；块体有限性理论； 有限块体可移动性定理。其理论特点是：块体理论着眼于用块体几何形 状来分析块体可动性，不涉及作用于块体上力的平衡；在全空间赤平投 影图上所表示的结构面和临空面不存在具体位移和间距的概念，用块体 理论判断出的各种块体不是那些在临空面上实际出现的具体块体，是指 在给定的结构面组合下所有可能在临空面上出现的块体类型，即由几组 结构面和临空面组成、尺寸可能不同，但几何形状相似的块体。 确保围岩稳定的工程处置措施 块体理论的应用有：在工程规划和初步设计阶段，可根据地质资料 求结构优势面组合、平均产状和间距，在设计开挖面上找出可能遇到的 不稳定块体，进行加固预报；在建筑物选线时可根据地应力最大方向优 选开挖面方向，使开挖面上出现的块体体积最小最少；它能在开挖面( 临 空面) 上找出关键块体，便于有针对性地进行重点加固，以节省投资等； 在施工过程中，根据实际的结构面出露情况进行计算机分析，更好的对 可疑块体作出判断，以调整支护加固参数。 作为一种较新的理论，其有待解决的问题也不少，比如，洞室围岩 的整体失稳与局部关键块失稳间的相关性问题等。 5 6 2 扩机工程主要地下洞室关键块体( 部位) 及其加固措施 主厂房顶拱层开挖后，根据现场实际的断层、节理面情况通过计算， 最终在初设代表性块体的基础上，明确了主厂房需要进行特别加固的关 键块体有四处，其体积从6 m 3 1 5 m 3 不等，对体积小于1 0i t l 3 的三块分 别布置剪刀型锚索两根加固，对体积有1 51 t 1 3 的块体设置了4 根锚索( 对 剪型布置) 处理。主变室有两处关键块体，共设置了4 根锚索。并对每 一个块体都取一根锚索进行监测，监测情况显示锚索状况良好( 具体参 考下一章相关内容) 。 对于主厂房上、下游边墙岩锚梁高程附近，考虑到受力状况复杂， 且又受断层和溶蚀发育( k w 4 2 暗河区域) 影响，开挖揭露地质较差的实 际情况，分别增设了上下两排系统锚索。对下游边墙机组段部位，由于 洞室交叉重叠( 厂用变洞、母线竖井、尾水闸门竖井等) ，则采取了灌浆 和局部置换的方法处理，从此段布设的监测设施反映情况来看，岩体的 稳定性得到了保障( 具体参考下一章相关内容) 。 西安理工大学工程硕士专业学位论文 5 7 爆破控制 乌江渡扩机工程的爆破控制有两个目的：保障原有电站老建筑物和 发电设备等的安全运行；确保扩建工程相关部位的安全。由于工期原因， 实际工作中，既要保证安全，也要尽可能满足进度要求一尽量采 用最大安全装药量实施爆破作业，控制难度较大。限于本文研究内容， 下面仅对主厂房岩锚梁部位进行分析。 5 7 1 控制标准 按照中南勘测设计研究院提交的贵州省乌江渡水电站扩机工程开 挖爆破监测测试要求，新浇筑混凝土允许质