深埋长引水隧洞围岩块体稳定性预测研究

刘万林，刘艳领

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

1 引言

近年来我国的水利水电工程快速发展，而引水隧洞的开挖是许多水利水电中必不可少的工程。在隧洞开挖过程中块体稳定性关乎着整个工程的进展[1]。

对于岩体中块体稳定性的研究，20世纪80年代Goodman等[2]提出了关键块体的理论模型，在此基础上谢良甫等[3]采用了矢量法对块体稳定性进行评价。同期石根华提出了岩体稳定性分析的几何方法，以及赤平投影的方法对块体稳定性进行分析，这些经典的分析方法至今还在普遍使用[4-6]。张奇华[7-8]在对于块体存在多滑面及多临空面的情况，运用三维极限平衡对问题稳定性进行分析，其结果更符合实际。

随着计算机技术的发展，General Block和Unwedge等基于块体理论的软件也被广泛应用于稳定性评价中[9-10]。徐俊等[11]运用三维激光技术对块体稳定进行分析。白向华[12]基于数值分析的方法，对边坡开挖中块体稳定性进行研究，其成果对今后类似边坡开发具有一定参考意义。杨海燕等[13]基于结构面网络模拟对边坡中块体稳定性的指标进行获取，并结合工程进行了验证。对于深埋及长隧洞中的块体，环境中应力场对块体稳定性会产生重要影响[14]。王述红[15]基于数字摄像技术对开挖边坡及隧道中不稳定块体进行快速识别，有助于长隧洞开挖过程中的超前预报及防护。李术才[16]基于数码图像，采用数理方法，初步构建了隧道轴向岩体完整性预测方法。张奇华[17]系统的讨论了块体理论在近些年的应用及进展情况，并对各技术在实际工程中的应用进行了讨论。

本文结合工程实例，对长引水隧洞内部块体稳定性进行预测研究，利用勘察洞及坡体岩层露头处的岩体结构面特征，进行分析，得出在开挖过程中可能存在的失稳块体。

2 工程概况

某水电站开发方式为引水式开发，其中引水隧洞全长约18 934.46 m，隧洞为圆形，开挖洞径9.2～9.5 m。引水隧道平均坡度大于40°，局部近于直立。长引水隧道所在区域构造稳定性较差，沿线分布岩性变化较大，分布有板岩、千枚岩、凝灰岩和凝灰质砂岩及英安岩、绢云母石英岩夹长石石英岩等多种岩性，岸坡多裸露或有稀疏的灌、草植被覆盖，河谷部位乔、灌植被较为发育。

3 隧洞内不稳定块体调查分析

3.1 隧洞内岩体结构面预测方法

结构面的成因以及规模受到多种因素的影响，对于还未开挖的长引水隧洞内部结构面的分布情况，经常通过勘探洞内所揭露的结构面情况为依据，去预测一些断裂面及长大结构面的走向、宽度及迹长。针对实测的大尺度结构面，根据其成因，分析其是否属于张性结构面、压性结构面及扭性结构面，初步确定断层在走向上的延伸规模。在同一区域内，同一次构造运动所造成的断裂宽度、长度具有一定的相似关系。基于此对大长引水隧洞内一些断裂面及长结构面进行预测。

另外对于长引水隧洞内部Ⅳ、Ⅴ级结构面，通过统计分析勘探洞内及岩体外部出露的结构面的概率分布情况，尤其断裂面、长大结构面周围的结构面进行统计分析来预测出长引水隧洞内部结构面的分布特征。尤其是对于一些典型的向斜、背斜等构造部位的结构面对预测坡体内部引水隧洞的结构面具有很大价值。

3.2 隧洞不稳定块体调查

由于该工程项目引水隧洞长度接近19 km，根据岩性及构造条件将其划分为若干段，现选取其中较为典型一段进行分析，通过上述对隧洞内部结构面的预测方法，对隧洞内部不稳定块体进行调查。选取段落剖面示意图如图1所示。

图1 选取段落剖面示意图

选取典型段落岩性为绢云母石英岩夹长石石英岩，通过对该段勘探洞及坡体基岩出露处的勘测调查，获得132条结构面产状信息。现将结构面进行统计分析，绘制其极点密度图，如图2所示。

图2 结构面极点等密图

基于现场勘测数据以及极点密度图，获得了结构面的优势产状如表1所示。

表1 优势结构面统计结果表

4 隧洞内块体稳定性分析

4.1 稳定性分析方法及参数获取

隧洞内块体稳定性对开挖过程具有很多大的影响，而对于稳定性分析方法采用加拿大多伦多大学E.Hock等人开发的块体稳定性分析Unwedge软件进行。在研究过程中，通常将结构面与临空面切割围限的块体视为刚体，只考虑其失稳破坏时整体的位移；切割岩体的结构面亦看作是延续性较好且贯穿岩体的理想平面；主要考虑的不稳定块体为结构面与临空面切割围限的四面体，因为四面体是工程实践中最为常见也是最基本的一类块体，故对隧洞围岩局部失稳的判别主要是基于对该类块体的分析研究。结构体失稳破坏的主要方式为崩落、滑动、转动和倾倒等。其中，崩落和滑动是地下洞室围岩中最常见的失稳破坏方式，失稳方式不同，结构体的稳定性能就存在一定的差异，相应的支护方案和措施也就因此而异，故对不稳定块体的运动学分析是进行围岩稳定性评价的关键。

通过室内试验将计算所需岩体参数汇总于表2所示。其中结构面的切向刚度及方向刚度取1 GPa/m，假设硬性结构面之间平直粗糙，无填充。

表2 岩体基本物理力学参数

4.2 稳定性分析结果

霍尔古吐水电站引水隧洞第6大段洞向为SE102°，3组优势结构面产状为：J1：29°∠78°；J2：300°∠85°；J3：130°∠60°。3组优势结构面产状的赤平投影如图3所示。

图3 优势结构面赤平投影图

由以上信息可知3组结构面与临空面的组合在隧洞洞壁的不同部位可形成6种块体，通过Unwedge计算结果如图4、表3所示。

图4 块体发育的空间特征

表3 块体稳定性计算结果

经过计算可知：

(1) 洞室左上部易构成多个分离块体，掉落式破坏的块体直接威胁施工安全，滑移式破坏的块体体积较小。

(2) 洞室的右上部形成的块体稳定性也较差，易沿J1组结构面滑塌，该类块体同样应给予足够的重视。

(3) J1和J3两组结构面控制，洞室左下部易构成较大的分离块体，块体稳定性高，工程影响小。

(4) 洞室右下部发育的块体分布的位置低，且稳定性较好。

(5) 经计算在洞室的左下部由J2、J3结构面控制的不稳定块体的稳定性系数较高，其他的结构面所形成的不稳定块体稳定性系数较低，甚至直接掉落。

因此，该洞段在施工过程中主要应注意洞室左上部和右上部不稳定块体的滑塌。

5 讨论

本文研究内容与王迎超等[18]的研究内容不同，文章通过工程实例，对长引水隧洞内部的块体稳定性进行分析研究，根据岩性及构造条件将长引水隧洞进行分段，通过勘察洞及出露岩体把每段的优势结构面进行统计分析。相比于其他隧洞块体稳定性的预测模型，较为简略，对于长引水隧洞中块体稳定性的初步分析研究提供了思路。

在计算隧洞内部稳定性时对内部结构面之间的状态，是假设结构面为硬性结构面、无填充的状态，但其内部真实状态还需进一步验证。在后续研究中可通过勘测及构造历史对隧洞内部结构面状态进行分析，建立完整的隧洞内块体稳定性预测研究。

6 结论

(1) 基于工程实例将长引水隧洞中块体稳定性进行分段评价，通过勘察洞及岩层出露处对隧洞内结构面进行预测分析。能够较为准确的预测出隧洞内不稳定块体的位置及失稳模式。

(2) 基于Unwedge软件对工程实例中块体稳定性进行分析，计算出其稳定性系数及块体的控制性结构面。

(3) 基于工程实例初步分析了长引水隧洞内部块体的部位及稳定性，对类似工程块体稳定性的研究具有借鉴意义。