澜沧江糯扎渡水电站地下洞室群岩体质量分级及其对围岩稳定性的控制作用
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摘要
澜沧江糯扎渡水电站拟建坝高261.5m，装机容量5850MW，采用左岸地下发电系统，由主厂房、主变室、尾水调压室以及尾水洞等构成庞大而复杂的地下洞室群。工程区主要出露二迭纪～三迭纪花岗岩体(γ_4~3～γ_5~1)和三迭系中统忙怀组下段沉积岩(T_(2m)~1)，发育有工程区规模最大的F_1和F_3断层，以及其它断层和大量的各类断续延伸的裂隙，岩体结构较为复杂。因此，围岩岩体质量及其稳定性评价对于这种修建在复杂岩体中的高边墙、大跨度地下洞室群来说至关重要，不仅决定地下工程的成功修建，而且决定着工程的安全性和经济合理性。
本文以糯扎渡水电站左岸地下洞室群为研究对象，在大量的现场调研及实测资料的基础上，通过室内的统计分析，深入了解区域及洞室区的工程地质条件，进而研究了左岸岩体结构的工程地质特性，进行了岩体结构面类型的划分。
采用工程岩体分级标准(GB50218-94)、水利水电围岩工程地质分类(GB50267-99)、岩体地质力学RMR分类及岩体质量指标Q系统围岩分类，对左岸地下洞室区围岩按其基本指标作出定量化评分、分级。在此定量化基础上，结合昆明院现场分类以及左岸地质条件，通过对比综合，最后得到左岸岩体质量综合分级结果。并采用现场试验资料与岩体质量分级指标的相互关系进行系统综合分析，提出不同级别岩体的力学参数。
在岩体结构模型概化的基础上，采有三维有限元数值分析方法，系统研究了大跨度、高边墙地下洞室群开挖完成后围岩的二次应力场、变形场和塑性破坏区的变化特征。总结了地下洞室群围岩应力、变形和破坏区的分布特征和变化规律，并通过对比分析围岩质量对其稳定性的影响，阐明了岩体质量对围岩稳定性的控制作用，为洞室群稳定性评价和工程设计施工提供了基础资料和理论依据。
Nuozadu Hydro-electrical Power Station, which is 261.5 m dam height and 5,850 MW installed capacity, is planned to build on the middle-lower reaches of Lancang River near Shimao city, Yunnan province. It is planned to adopt rockfill dam and underground powerhouses in the left bank. The underground cavities mainly include three large cavities. In the area of the left bank, rock body is mainly composed of Permian Period-Triassic Period granite and Triassic Period siltstones and mudstones (T2m). Moreover, the rock body has been more faulted, such as F1 F3 F9 and so on. In addition, there also exist a lot of joints and form complex rock mass structure. Therefore, it is very important to study the rock mass quality classification and properly assess the surrounding rock mass stability of a large span and high side wall underground powerhouse. It not only determines the success of the project, but effects the investment and time limit.
Taking underground cavities of Nuozadu Hydro-electrical Power Station in the left bank of Lancang River as an example, making use of abundant field investigation and statistic date, the paper study the engineering geological of the project region. Based on above-mentioned, it systematically studies the spatial characters of rock mass structure in the left bank and correctly compartmentalize rock mass structure type.
Standard for engineering classification of rock masses (GB50218-94), the rock engineering geological classification of Code for water resources and hydropower engineering geological investigation (GB50267-99),Rock Mass Rating system (Bieniawski, 1973) and Q-system were used in the rock mass quality classification. A evaluate system relative to the rock mass mechanism of the left bank rock mass was achieved finally. Rock mass mechanical parameters corresponding to individual rock mass quality at different levels are determined by means of correlation analysis and statistical analysis.
Based on the simplified structure of rock mass, three-dimensional finite element numerical modeling technique is used to analyze systematically the distribution features of filed, strain field and plastic zone in the surrounding rock mass of the underground cavities after the excavation. And that, the variable regulations of stress filed, deformation field and plastic failure zones in the surrounding rock mass of the underground cavities are summarized. Based on the analysis of the effects of rock mass qualities on surrounding rock mass stability, the control effect of rock mass qualities about stability of surrounding rock mass was studied. The main results can be taken as the basic data and the theoretical proofs to evaluate cavities stability and guide the correct excavation.
本文以糯扎渡水电站左岸地下洞室群为研究对象，在大量的现场调研及实测资料的基础上，通过室内的统计分析，深入了解区域及洞室区的工程地质条件，进而研究了左岸岩体结构的工程地质特性，进行了岩体结构面类型的划分。
采用工程岩体分级标准(GB50218-94)、水利水电围岩工程地质分类(GB50267-99)、岩体地质力学RMR分类及岩体质量指标Q系统围岩分类，对左岸地下洞室区围岩按其基本指标作出定量化评分、分级。在此定量化基础上，结合昆明院现场分类以及左岸地质条件，通过对比综合，最后得到左岸岩体质量综合分级结果。并采用现场试验资料与岩体质量分级指标的相互关系进行系统综合分析，提出不同级别岩体的力学参数。
在岩体结构模型概化的基础上，采有三维有限元数值分析方法，系统研究了大跨度、高边墙地下洞室群开挖完成后围岩的二次应力场、变形场和塑性破坏区的变化特征。总结了地下洞室群围岩应力、变形和破坏区的分布特征和变化规律，并通过对比分析围岩质量对其稳定性的影响，阐明了岩体质量对围岩稳定性的控制作用，为洞室群稳定性评价和工程设计施工提供了基础资料和理论依据。
Nuozadu Hydro-electrical Power Station, which is 261.5 m dam height and 5,850 MW installed capacity, is planned to build on the middle-lower reaches of Lancang River near Shimao city, Yunnan province. It is planned to adopt rockfill dam and underground powerhouses in the left bank. The underground cavities mainly include three large cavities. In the area of the left bank, rock body is mainly composed of Permian Period-Triassic Period granite and Triassic Period siltstones and mudstones (T2m). Moreover, the rock body has been more faulted, such as F1 F3 F9 and so on. In addition, there also exist a lot of joints and form complex rock mass structure. Therefore, it is very important to study the rock mass quality classification and properly assess the surrounding rock mass stability of a large span and high side wall underground powerhouse. It not only determines the success of the project, but effects the investment and time limit.
Taking underground cavities of Nuozadu Hydro-electrical Power Station in the left bank of Lancang River as an example, making use of abundant field investigation and statistic date, the paper study the engineering geological of the project region. Based on above-mentioned, it systematically studies the spatial characters of rock mass structure in the left bank and correctly compartmentalize rock mass structure type.
Standard for engineering classification of rock masses (GB50218-94), the rock engineering geological classification of Code for water resources and hydropower engineering geological investigation (GB50267-99),Rock Mass Rating system (Bieniawski, 1973) and Q-system were used in the rock mass quality classification. A evaluate system relative to the rock mass mechanism of the left bank rock mass was achieved finally. Rock mass mechanical parameters corresponding to individual rock mass quality at different levels are determined by means of correlation analysis and statistical analysis.
Based on the simplified structure of rock mass, three-dimensional finite element numerical modeling technique is used to analyze systematically the distribution features of filed, strain field and plastic zone in the surrounding rock mass of the underground cavities after the excavation. And that, the variable regulations of stress filed, deformation field and plastic failure zones in the surrounding rock mass of the underground cavities are summarized. Based on the analysis of the effects of rock mass qualities on surrounding rock mass stability, the control effect of rock mass qualities about stability of surrounding rock mass was studied. The main results can be taken as the basic data and the theoretical proofs to evaluate cavities stability and guide the correct excavation.
引文
[1]黄润秋，王士天，胡卸文等．澜沧江小湾水电站高拱坝坝基重大工程地质问题研究．成都：西南交通大学出版社，1996
[2]成都勘测设计研究院．金沙江溪落渡水电站可行性研究报告(第一篇综合说明)，1998
[3]中国水力发电工程工程地质卷．北京：中国电力出版社，2000
[4]国家电力公司昆明院．云南省糯扎渡水电站可行性研究阶段枢纽布置格局与坝型选择报告．2001
[5]成都理工大学．云南省糯扎渡水电站左岸地下洞室群及左岸系统工程地质研究．2003
[6]唐胜传．复杂场地高坝建设适宜性的工程地质研究．成都理工大学工学博士学位论文，2002
[7]韩爱果．坝基岩体质量量化分级及图形展示—以金沙江溪洛渡水电站为例．成都理工大学工学博士学位论文，2002
[8]韩爱果，聂德新．某电站地下厂房围岩质量综合分级．地质灾害与环境保护，2002，13(2)
[9]张倬元，王士天，王兰生．工程地质分析原理(第二版)．北京：地质出版社，1993
[10]成都理工大学．长江三峡工程大跨度地下厂房围岩稳定性研究．1999
[11]白明洲．大型地下洞室围岩稳定性的岩体结构控制效应研究．成都理工大学工学博士学位论文，2000
[12]白明洲，黄国明．大型地下洞室围岩稳定的三维有限元分析．西部探矿工程，2000，62(1)
[13]李攀峰，张倬元．某大型地下洞室群整体稳定性评价．太原理工大学学报，2002，33(4)
[14]张咸恭．工程地质学(上册)．北京：地质出版社，1978
[15]周思孟．复杂岩体若干岩石力学问题．北京：中国水利水电出版社，1998
[16]蔡美峰．岩石力学与工程．北京：科学出版社，2002
[17]Barton N.,Lien R. & Lunde J. Engineering classification of rock masses for design of the tunnel support. Rock Mechanics, 1974, 6(4)
[18]Bienlawski Z.T. Engineering Classification of Jointed Rock Mass, Trans.S.Africa Inst, Civ.Engrs,1973, 15(12)
[19]比尼奥斯基．工程岩体分类(吴立新、王建锋，等译)．徐州：中国矿业大学出版社，2002
[20]谷德振．岩体工程地质力学基础．北京：科学出版社，1979
[21]中华人民共和国国家标准．工程岩体分级标准(GB50218-94)。北京：中国计划出版社，1994
[22]中华人民共和国国家标准．水利水电工程地质勘察规范(GB50287-99)．北京：中国计划出版社，1999
[23]刘启千，徐光黎．工程岩体质量分级的模糊综合评判．中国地质大学学报，1989，14(3)
[24]霍润科．神经网络法在地下洞室围岩分类中的应用．华北水利水电学院学报，1998，19(2)
[25]李强．B P神经网络在工程岩体质量分级中的应用研究．西北地震学报，2002，24(3)
[26]冯夏庭，林韵梅．专家系统在围岩分类中的应用．吉林冶金，1991，4
[27]何浏，赵金等．模糊灰色理论在围岩类别评定中的应用．武汉水利电力大学学报，2000，22(4)
[28]易顺民，唐辉明等．基于分形理论的岩体工程分类初探．地质科技情报，1994，13(1)
[29]连建发．分形理论在岩体质量评价中的应用研究．岩石力学与工程学报，2001，20(增刊)
[30]于学馥，郑颍人等．地下工程围岩稳定分析．北京：煤炭工业出版社，1983
[31]胡斌．深切峡谷区大型地下洞室群围岩稳定性的动态数值仿真研究．成都理工大学工学博士学位论文，2001
[32]王思敬，杨志法等．地下工程岩体稳定分析．北京：科学出版社，1984
[33]王思敬，张菊明．岩体结构稳定分析原理和方法．地质科学，第1期，1976
[34]刘竹华，杨志法．地下工程块体稳定分析．北京：科学出版社，1980
[35]许德庆，罗小青．复杂形状洞室映射函数的新解法．工程力学，1998，(A02)
[36]朱大勇，徐文焕．地下洞室局部稳定性评价的复变函数法．岩石力学与工程学报，1999，18(3)
[37]尚岳全，黄润秋．工程地质分析中的数值方法．成都：成都科技大学出版社，1992
[38]潘别桐，黄润秋．工程地质数值法．北京：地质出版社，1994
[39]孙均．地下结构有限元法解析．上海：同济大学出版社，1988
[40]ITASCA. FLAC version 2.0 User's manual. Minneapolis: ICG., 1987
[41]王泳嘉，刑纪波．离散单元法及其在岩土力学中的应用．沈阳：东北工学院出版社，1991
[42]G H Shi. Discontinuous deformation analysis: a new numerical model for the statics and dynamics deformable block structures. Engineering Computations, 1992, 9(2)
[43]石根华．数值流形方法与非连续变形分析．北京：清华大学出版社，1997
[44]Unwedge User's Guide. 3D visualization of potentially unstable wedges in the rock surrounding underground excavations and calculation of factors of safety and support requirements for these wedges, 1992-1999 Rocscience, Inc.
[45]许强，黄润秋，巨能攀等．边坡块体稳定性分析系统V1.0用户手册．1997
[46]刘锦华，吕祖珩．块体理论在工程岩体稳定性分析中的应用．北京：水利电力出版社，1988
[47]秦四清，张倬元等．非线性工程地质学导引．成都：西南交通大学出版社，1993
[48]黄润秋，许强．工程地质广义系统科学分析原理及应用．北京：地质出版社，1997
[49]国家电力公司昆明院．云南省糯扎渡水电站可行性研究阶段左岸溢洪道及地下厂房区工程地质专题报告．2002
[50]成都理工大学．云南省糯扎渡水电站坝址右岸软弱岩带(体)成因、特性及工程适宜性评价．2001
[51]国家电力公司昆明院．云南省糯扎渡水电站可行性研究阶段现场岩石力学试验研究报告．2002
[52]陈剑平等．随机不连续面三维网络计算机模拟原理．东北师范大学出版社，1995
[53]陈剑平，尚晓春等等．岩体随机不连续面优势组数划分．成都理工学院学报，2001，28(增刊)
[54]宋建波，张倬元等．岩体经验强度准则及其在地质工程中的应用．北京：地质出版社，2002
[55]肖树芳，杨淑碧．岩体力学．北京：地质出版社，1987
[56]E．Hoek and E．T．Brown著，连志升等译．岩石地下开挖．北京：冶金工业出版社，1983
[57]王士天，黄润秋等．雅砻江锦屏水电站重大工程地质问题研究．成都：成都科技大学出版社，1998
[58]孙广忠．岩体结构力学．北京：科学出版社，1988
[59]Bienlawski Z.T. Engineering Rock Mass Classification, Intercience Publication, Viley, New York, 1973
[60]Bienlawski Z.T. Rock mass classification in rock engineering, Proc. Symposium on Exploration for Rock Engineering, Johan-nesbarg, Volume 1, 1976
[61]日本软脑株式会社．3D-σ用户手册．1997
[2]成都勘测设计研究院．金沙江溪落渡水电站可行性研究报告(第一篇综合说明)，1998
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