某大型地下泵房围岩块体组合模式分析
张海平 王家祥 王朋 龚成 李银泉
文章编号：1672-5603（2018）02-074-6
摘 要 大型地下洞室在施工过程中，围岩稳定问题是最主要的工程地质问题之一，以裂隙硬质岩体为主的洞室工程，围岩稳定问题中以块体稳定问题最为典型，块体组合模式更是此类问题分析的关键所在。本文选取滇中引水工程石鼓水源地下泵房为研究题材，主要通过地表测绘及钻孔揭露结构面发育特征等，结合关键块体理论及立体几何学基本理论，从块体空间几何构成结合变形破坏方式，初步归纳出地下泵房部位块体模式主要有：①滑塌失稳；②坍顶、掉块两种基本破坏模式，以及单滑面型楔体、双滑面型楔体、正锥型楔体、斜锥型楔体及单缓切面薄版型等5种典型的基本单体和组合块体模型。从宏观上对泵房区块体组合进行了初步预判，为围岩稳定综合评价奠定了基础，可为其它工程相类似的裂隙硬质岩体洞室块体组合分析提供參考意义。
关键词 大型地下洞室；围岩稳定；裂隙硬质岩体；块体组合模式
中图分类号：P642 文献标识码：A
The Analysis of Block Combination Model of Surrounding Rock of a Large Underground Pump House
Zhang Haiping， Wang Jiaxiang， Wang Peng， Gong Cheng， Li Yinquan
（Three Gorges Geotechnical Consultants Co.Ltd.（Wuhan）， Wuhan Hubei 430074）
Abstract： In the process of construction of large underground cavern， surrounding rock stability is one of the major engineering geological problem in fissure cavern engineering， hard rock based on block stability problems， the most typical in the stability of surrounding rock， block combination model is the key to this kind of problem analysis. This paper selects the Shigu water diversion project in Yunnan underground pumping station as the research subject， mainly through the surface mapping and drilling structural surface development characteristics， combined with the basic theory of key block theory and solid geometry， from the composition of block space geometry with deformation and failure modes， summarizes parts of underground pumping station block pattern mainly has： the slump the collapse of roof instability； and block out two basic failure modes， and a single slip surface type wedge， wedge type double surface， cone wedge， oblique cone wedge and slow section thin version type 5 kinds of typical basic monomer and combination block model. The preliminary prediction of the block combination in the pump room is made from macroscopic view， which lays the foundation for the comprehensive evaluation of the surrounding rock stability. It can provide a reference for other engineering similar fractured hard rock cavern block combination analysis.
Keywords： large underground cavern； surrounding rock stability； fractured hard rock mass； block combination model
1概述
大型地下洞室在施工过程中，洞室围岩稳定问题是最主要的工程地质问题之一，以裂隙硬质岩体为主的洞室工程[1-3]，围岩稳定问题中以块体稳定问题最为典型，块体组合模式更是围岩稳定问题分析的关键所在[4-5]。洞室因其特定的几何边界和应力场条件[6-8]，块体的构成及破坏具有一定的特殊性[9-10]。近年来，对于裂隙岩体大型洞室块体的研究，主要集中在勘察期对随机块体的规模、埋藏深度等一般规律及对施工期揭露的某些确定性块体的稳定性分析上[11]，有些专著及文献[12-15]对块体分析主要是运用矢量分析和全空间赤平投影图形方法，重点从块体基本组合、可动性判别及变形破坏力学机理等方面进行论述。
本文以滇中引水工程为依托，选取该工程石鼓水源地下泵房为研究题材，在泵房区勘探平硐尚未完成情况下，主要通过系统搜集整理地表测绘及泵房区钻孔揭露的岩体结构面发育特征等资料，通过全面分析优势结构面发育特征及与主泵房洞室位置关系，运用立体几何学基本理论，从块体三维空间构成结合变形破坏方式对块体模式进行归纳，同时对各类型块体主要发育部位进行了较准确界定，为主泵房围岩稳定综合评价奠定了基础，也为同类地下工程（以裂隙硬质岩体为主）的洞室块体组合分析可提供一定借鉴意义。
2 主泵房工程地质概况
滇中引水工程石鼓水源位于“万里长江第一湾”云南省丽江市玉龙县石鼓镇，为无坝取水，采用地下一级泵站提取金沙江水，地下泵站主泵房布置于金沙江右岸一级支流冲江河右岸山体中（图1），泵房长轴方位角71°，开挖尺寸为217×23.4×48 m（长×宽×高），洞室埋深274～374 m，围岩主要为泥盆系中统穷错组第一段（D2q1）灰岩、大理岩夹片岩，微溶蚀风化为主，岩质较坚硬～坚硬，泵房区位于石鼓复向斜北西翼，岩层产状总体为78°～110°∠22°～75°，区内构造主要呈北北东～近南北向，勘察资料统计泵房区发育的优势裂隙主要有以下几组：第①组280°～290°∠68°～75°；第②组330°～345°∠66°～70°；第③组35°～40°∠63°～65°；第④组78°～110°∠60°～80°（层面）；其中：相对发育的NEE向裂隙（第②组）与泵房长轴向（71°）呈小角度（4°～11°）相交，对围岩局部稳定不利。三组结构面及层面与主泵房洞轴线相互关系见（图2、3）。
3 主泵房块体组合模式分析
根据主泵房区优势结构面与洞室分布关系组合分析，4组优势结构面在主泵房下游边墙、右侧端墙部位易构成潜在不稳定块体，顶拱部位可能形成正锥型、斜锥型楔体及单缓切面薄板型块体。楔形块体类型及失稳方式主要有下游边墙部位的双滑面滑塌失稳、单滑面滑塌失稳，以及顶拱薄板状掉块或坍顶失稳，主泵房主要块体模式类型及基本特征见表1，具体组合特征分析如下：
（1）下游边墙块体组合模式分析
1） 双滑面型组合楔体：主要由两组与洞向呈斜交对倾、交棱线倾向洞内底端在边墙出露临空的结构面构成双滑面楔形体边界（面1、面2），中缓倾角结构面为顶界控制拉裂面（面3），此类块体在下游边墙组合较多。各结构面产状分别如下：面1（面ABD）：优势裂隙①280°～290°∠68°～75°或优势裂隙②330°～345°∠66°～70°；面2（面BCD）：优势裂隙③35°～40°∠63°～65°；面3（面ACD）：340°∠30°，此类块体一般组合模式及失稳破坏模式见图4～图6。
2） 单滑面型组合楔体：主要由平行或近平行洞向中陡倾角面作为控制滑面，在边墙出露临空，两侧与洞向呈大角度相交结构面构成侧缘切割，此类块体主要分布于下游侧边墙。各结构面产状分别如下：侧缘边界面1为优势裂隙①280°～290°∠68°～75°：侧缘边界面2为优势裂隙③35°～40°∠63°～65°；底部控制性滑动面为优势裂隙②330°～345°∠66°～70°；顶部控制性面产状：340°∠30°，此类块体一般组合模式及失稳破坏模式见图7～图8。
（2） 右侧端墙块体组合模式分析
根据该部位岩体结构面发育情况及与泵房洞室空间关系，右侧端墙部位主要存在双滑面型楔体组合，此类块体主要由两组与洞向呈斜交对倾、交棱线倾向洞内底端在边墙出露临空的结构面构成双滑面楔形体边界（面1、面2），中缓倾角结构面为顶界控制拉裂面（面3：340°∠30°），此类块体一般组合模式及失稳破坏模式见图9～图10。
（3）顶拱部位块体组合模式分析
顶拱部位主要有正锥型楔体、斜锥型楔体及单缓切面薄板型等三种，正锥型楔体主要由平行（近平行）洞向的兩条反倾结构面与垂直（近垂直）洞向的两条反倾结构面共4面组合呈“人”字锥体状切割，多为NWW组与SEE组裂隙切割；斜锥型楔体组成结构面走向与正锥型楔体类似，其中至少有1组结构面倾向基本相同，仅倾角不同而在洞顶附近呈“入”字型相交切割洞顶岩体；单缓切片薄板型主要受控于左侧安装场一带发育的缓倾角优势结构面：340°∠30°，该结构面为主要切割面，在洞顶形成薄板状切割，失稳方式为掉块、坍顶，顶拱部位正锥型、斜锥型楔体及单缓切片薄板型块体组合模式见图11。
4 结论
本文通过系统分析、统计泵房区岩体优势结构面（地质测绘及钻孔彩色电视解译等）等勘察资料，查明泵房部位未发育较大规模断层（无Ⅰ、Ⅱ级结构面），主泵房无断层级组合切割的定位块体，以优势裂隙及洞室临空面组合而成的随机块体为主，通过主泵房部位岩体优势结构面与洞室关系组合分析，归纳了地下泵房部位块体模式主要有：①滑塌失稳；②坍顶、掉块三种基本破坏模式，以及单滑面型楔体、双滑面型楔体、正锥型楔体、斜锥型楔体及单缓切面薄版型等5种典型的基本单体和组合块体模型，并对上述块体组合在主泵房的主要发育部位（下游边墙、右侧端墙、顶拱等）进行了较准确定位，为泵房的围岩稳定综合评价奠定了基础，同时，本文也可为同类地下工程（以裂隙硬质岩体为主）的洞室块体组合分析提供一定参考意义。
参考文献/References
[1]王家祥，叶圣生，周质荣等.三峡地下电站主厂房顶拱块体模式及加固对策[J].人民长江，2007，38（9）：63-68.
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[3]盛谦，黄正加，邬爱清.三峡工程地下厂房随机块体稳定性分析[J].岩土力学， 2002，23（6）：747-750.
[4]黄正加，周述达.三峡洞室围岩定位块体稳定性分析 [J].矿山压力与顶板管理，2005，4（3）：75-79.
[5]黄正加，邬爱清，盛谦.块体理论在三峡工程中的应用[J].岩石力学与工程学报，2001，20（5）：648-652.
[6]巨能攀.大跨度高边墙地下洞室群围岩稳定性评价及支护方案的系统工程地质研究-以糯扎渡水电站为例[D].成都：成都理工大学，2005.
[7]张子新，孙钧.块体理论赤平解析法及其在硐室稳定分析中的应用[J].岩石力学与工程学报， 2002，21（12）：1756-1760.
[8]毛海和，夏才初，张子新等.块体理论赤平解析法在龙滩水电站地下厂房洞室群稳定性分析中的应用 [J].岩石力学与工程学报， 2004，24（8）：1308-1314.
[9]王明华，杨良策，刘汉超等. 大型地下洞室顶板稳定性的岩体结构控制效应[J].岩土力学，2003，24（3）：484-487.
[10]张奇华，邬爱清，石根华.关键块体理论在百色水利枢纽地下厂房岩体稳定性分析中的应用[J].岩石力学与工程学报， 2004，23（15）：2609-2614.
[11]刘锦华，吕祖珩.块体理论在工程岩体中的应用[M].北京：水利出版社，1988.
[12]王思敬，杨志法，刘竹华.地下工程岩体稳定分析[M].北京：科学出版社，1984.
[13]周维垣.高等岩石力学[M].北京：水利水电出版社，1990.
[14] 张倬元，王士天，王兰生，黄润秋等.工程地质分析原理[M].北京：地质出版社，2009.
[15]李红旭，盛谦，张勇慧，朱付广.某水电站地下厂房关键块体稳定性分析[J].人民长江，2011，42（2）：42-46.
文章编号：1672-5603（2018）02-074-6
摘 要 大型地下洞室在施工过程中，围岩稳定问题是最主要的工程地质问题之一，以裂隙硬质岩体为主的洞室工程，围岩稳定问题中以块体稳定问题最为典型，块体组合模式更是此类问题分析的关键所在。本文选取滇中引水工程石鼓水源地下泵房为研究题材，主要通过地表测绘及钻孔揭露结构面发育特征等，结合关键块体理论及立体几何学基本理论，从块体空间几何构成结合变形破坏方式，初步归纳出地下泵房部位块体模式主要有：①滑塌失稳；②坍顶、掉块两种基本破坏模式，以及单滑面型楔体、双滑面型楔体、正锥型楔体、斜锥型楔体及单缓切面薄版型等5种典型的基本单体和组合块体模型。从宏观上对泵房区块体组合进行了初步预判，为围岩稳定综合评价奠定了基础，可为其它工程相类似的裂隙硬质岩体洞室块体组合分析提供參考意义。
关键词 大型地下洞室；围岩稳定；裂隙硬质岩体；块体组合模式
中图分类号：P642 文献标识码：A
The Analysis of Block Combination Model of Surrounding Rock of a Large Underground Pump House
Zhang Haiping， Wang Jiaxiang， Wang Peng， Gong Cheng， Li Yinquan
（Three Gorges Geotechnical Consultants Co.Ltd.（Wuhan）， Wuhan Hubei 430074）
Abstract： In the process of construction of large underground cavern， surrounding rock stability is one of the major engineering geological problem in fissure cavern engineering， hard rock based on block stability problems， the most typical in the stability of surrounding rock， block combination model is the key to this kind of problem analysis. This paper selects the Shigu water diversion project in Yunnan underground pumping station as the research subject， mainly through the surface mapping and drilling structural surface development characteristics， combined with the basic theory of key block theory and solid geometry， from the composition of block space geometry with deformation and failure modes， summarizes parts of underground pumping station block pattern mainly has： the slump the collapse of roof instability； and block out two basic failure modes， and a single slip surface type wedge， wedge type double surface， cone wedge， oblique cone wedge and slow section thin version type 5 kinds of typical basic monomer and combination block model. The preliminary prediction of the block combination in the pump room is made from macroscopic view， which lays the foundation for the comprehensive evaluation of the surrounding rock stability. It can provide a reference for other engineering similar fractured hard rock cavern block combination analysis.
Keywords： large underground cavern； surrounding rock stability； fractured hard rock mass； block combination model
1概述
大型地下洞室在施工过程中，洞室围岩稳定问题是最主要的工程地质问题之一，以裂隙硬质岩体为主的洞室工程[1-3]，围岩稳定问题中以块体稳定问题最为典型，块体组合模式更是围岩稳定问题分析的关键所在[4-5]。洞室因其特定的几何边界和应力场条件[6-8]，块体的构成及破坏具有一定的特殊性[9-10]。近年来，对于裂隙岩体大型洞室块体的研究，主要集中在勘察期对随机块体的规模、埋藏深度等一般规律及对施工期揭露的某些确定性块体的稳定性分析上[11]，有些专著及文献[12-15]对块体分析主要是运用矢量分析和全空间赤平投影图形方法，重点从块体基本组合、可动性判别及变形破坏力学机理等方面进行论述。
本文以滇中引水工程为依托，选取该工程石鼓水源地下泵房为研究题材，在泵房区勘探平硐尚未完成情况下，主要通过系统搜集整理地表测绘及泵房区钻孔揭露的岩体结构面发育特征等资料，通过全面分析优势结构面发育特征及与主泵房洞室位置关系，运用立体几何学基本理论，从块体三维空间构成结合变形破坏方式对块体模式进行归纳，同时对各类型块体主要发育部位进行了较准确界定，为主泵房围岩稳定综合评价奠定了基础，也为同类地下工程（以裂隙硬质岩体为主）的洞室块体组合分析可提供一定借鉴意义。
2 主泵房工程地质概况
滇中引水工程石鼓水源位于“万里长江第一湾”云南省丽江市玉龙县石鼓镇，为无坝取水，采用地下一级泵站提取金沙江水，地下泵站主泵房布置于金沙江右岸一级支流冲江河右岸山体中（图1），泵房长轴方位角71°，开挖尺寸为217×23.4×48 m（长×宽×高），洞室埋深274～374 m，围岩主要为泥盆系中统穷错组第一段（D2q1）灰岩、大理岩夹片岩，微溶蚀风化为主，岩质较坚硬～坚硬，泵房区位于石鼓复向斜北西翼，岩层产状总体为78°～110°∠22°～75°，区内构造主要呈北北东～近南北向，勘察资料统计泵房区发育的优势裂隙主要有以下几组：第①组280°～290°∠68°～75°；第②组330°～345°∠66°～70°；第③组35°～40°∠63°～65°；第④组78°～110°∠60°～80°（层面）；其中：相对发育的NEE向裂隙（第②组）与泵房长轴向（71°）呈小角度（4°～11°）相交，对围岩局部稳定不利。三组结构面及层面与主泵房洞轴线相互关系见（图2、3）。
3 主泵房块体组合模式分析
根据主泵房区优势结构面与洞室分布关系组合分析，4组优势结构面在主泵房下游边墙、右侧端墙部位易构成潜在不稳定块体，顶拱部位可能形成正锥型、斜锥型楔体及单缓切面薄板型块体。楔形块体类型及失稳方式主要有下游边墙部位的双滑面滑塌失稳、单滑面滑塌失稳，以及顶拱薄板状掉块或坍顶失稳，主泵房主要块体模式类型及基本特征见表1，具体组合特征分析如下：
（1）下游边墙块体组合模式分析
1） 双滑面型组合楔体：主要由两组与洞向呈斜交对倾、交棱线倾向洞内底端在边墙出露临空的结构面构成双滑面楔形体边界（面1、面2），中缓倾角结构面为顶界控制拉裂面（面3），此类块体在下游边墙组合较多。各结构面产状分别如下：面1（面ABD）：优势裂隙①280°～290°∠68°～75°或优势裂隙②330°～345°∠66°～70°；面2（面BCD）：优势裂隙③35°～40°∠63°～65°；面3（面ACD）：340°∠30°，此类块体一般组合模式及失稳破坏模式见图4～图6。
2） 单滑面型组合楔体：主要由平行或近平行洞向中陡倾角面作为控制滑面，在边墙出露临空，两侧与洞向呈大角度相交结构面构成侧缘切割，此类块体主要分布于下游侧边墙。各结构面产状分别如下：侧缘边界面1为优势裂隙①280°～290°∠68°～75°：侧缘边界面2为优势裂隙③35°～40°∠63°～65°；底部控制性滑动面为优势裂隙②330°～345°∠66°～70°；顶部控制性面产状：340°∠30°，此类块体一般组合模式及失稳破坏模式见图7～图8。
（2） 右侧端墙块体组合模式分析
根据该部位岩体结构面发育情况及与泵房洞室空间关系，右侧端墙部位主要存在双滑面型楔体组合，此类块体主要由两组与洞向呈斜交对倾、交棱线倾向洞内底端在边墙出露临空的结构面构成双滑面楔形体边界（面1、面2），中缓倾角结构面为顶界控制拉裂面（面3：340°∠30°），此类块体一般组合模式及失稳破坏模式见图9～图10。
（3）顶拱部位块体组合模式分析
顶拱部位主要有正锥型楔体、斜锥型楔体及单缓切面薄板型等三种，正锥型楔体主要由平行（近平行）洞向的兩条反倾结构面与垂直（近垂直）洞向的两条反倾结构面共4面组合呈“人”字锥体状切割，多为NWW组与SEE组裂隙切割；斜锥型楔体组成结构面走向与正锥型楔体类似，其中至少有1组结构面倾向基本相同，仅倾角不同而在洞顶附近呈“入”字型相交切割洞顶岩体；单缓切片薄板型主要受控于左侧安装场一带发育的缓倾角优势结构面：340°∠30°，该结构面为主要切割面，在洞顶形成薄板状切割，失稳方式为掉块、坍顶，顶拱部位正锥型、斜锥型楔体及单缓切片薄板型块体组合模式见图11。
4 结论
本文通过系统分析、统计泵房区岩体优势结构面（地质测绘及钻孔彩色电视解译等）等勘察资料，查明泵房部位未发育较大规模断层（无Ⅰ、Ⅱ级结构面），主泵房无断层级组合切割的定位块体，以优势裂隙及洞室临空面组合而成的随机块体为主，通过主泵房部位岩体优势结构面与洞室关系组合分析，归纳了地下泵房部位块体模式主要有：①滑塌失稳；②坍顶、掉块三种基本破坏模式，以及单滑面型楔体、双滑面型楔体、正锥型楔体、斜锥型楔体及单缓切面薄版型等5种典型的基本单体和组合块体模型，并对上述块体组合在主泵房的主要发育部位（下游边墙、右侧端墙、顶拱等）进行了较准确定位，为泵房的围岩稳定综合评价奠定了基础，同时，本文也可为同类地下工程（以裂隙硬质岩体为主）的洞室块体组合分析提供一定参考意义。
参考文献/References
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