赤平投影法在积石峡水电站泄洪洞与导流洞交叉段设计中的应用

１８　任苇．赤平投影法在积石峡水电站泄洪洞与导流洞交叉段设计中的应用　文章编号：１００６－－２６１０（２００８）０３—００１８—０３　赤平投影法在积石峡水电站泄洪洞与　导流洞交叉段设计中的应用　任苇　（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，西安７１００６５）　摘要：针对积石峡水电站泄洪洞与导流洞交叉段大洞室，采用赤平投影法对洞室与岩体不同产状裂隙面组合形　成的楔形体进行稳定性分析，通过判别关键块体，计算净滑动力，确定最终的可能可动块体及关键块体，选取最不　利断面进行计算分析，绘制该断面可能最大可动域，确定锚固措施。对洞室锚固施工提供了可靠的设计依据，确保　了施工安全。　关键词：赤平投影法；最大可动域；关键块体　中图分类号：ＴＶ１３５．２　文献标识码：Ａ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｑｕａｔｏｒｉａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｒｏｓｓｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｊｉｓｈｉｘｉａ　ｔｕｎｎｅｌｓ　ＲＥＮ　Ｗｅｉ　（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｈｙｄｒｏ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，ＣＨＥＣＣ，Ｘｉｇｎ　７１００６５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｃｒｏｓｓｉｎｇ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｉｌｌｗａｙ　ａｎｄ　ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌｓ，ｅｑｕａｔｏｒｉａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌ－　ｉｔｙ　ｏｆ　ｗｅｄｇｅ　ｂｏｄｙ　ｆｏｒｍｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｉｆｓｓｕｒｅ　ｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｊｕｄｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｂｌｏｃｋ　ｎｄ　ａｃａｌｃｕｌａｔ－　ｉｎｇ　ｎｅｔ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｆｉｎａｌ　ｍｏｖａｂｌｅ　ｂｌｏｃｋｓ　ａｎｄ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｂｌｏｃｋｓ，ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｍａｄｅ，ｔｈｅ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｌａｒｇｅｓｔ　ｍｏｖａｂｌｅ　ａｒｅａ　ｉｓ　ｍａｐｐｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｒｏｃｋ—ｂｏｌｔｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｒｅｌｉｂｌｅ　ｄｅｓｉａｇｎ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｒｏｃｋ—ｂｏｌ－　ｔｉｎｇ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌｓ　ａｎｄ　ｅｎｓｕｒｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓａｆｅｔｙ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｅｑｕａｔｏｒｉｌａ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ；ｌｒｇｅａｓｔ　ｍｏｖａｂｌｅ　ｒｅａ；ｃａｉｒｔｉｃａｌ　ｂｌｏｃｋ　１工程概况　利用赤平投影法对洞室与岩体不同产状裂隙面　大洞室进行分析，最大开挖断面为２５　ＩＴＩ×２０　ＩＴＩ（宽　×高），桩号为中０＋２０２．４５７～０＋２４２．６６４　１１３．，两洞　轴线相交点为中０＋２３５．３９０　１１３．（导０＋２１７．１５０　１１３．），　夹角约为１９．９。，均为１０　１１３．×１５　１１３．的城门洞断面，　衬砌厚度１．５　１１３．。该段主要上覆岩体厚度３２～１５０　１１３．，岩性为Ｋ３—１１砾岩，中细砂岩，岩层产状ＮＥ１３。　ＳＥ　１３。，裂隙发育。因此通过楔形体分析确定锚　固方案，对工程设计非常必要。　组合形成的楔形体进行稳定性分析，在碧口调压室　等地下洞室分析中已得到应用验证，这种方法在边　坡楔形体计算中应用广泛，但在水工隧洞上应用的　不多。文章通过判别关键块体，计算净滑动力，确定　最终的可能可动块体及关键块体，提出通过面积加　权净滑动力，选取最不利断面进行计算分析，最终通　过绘制该断面可能最大可动域，计算最大滑动体体　积，确定锚固措施。　文章针对积石峡水电站泄洪洞与导流洞交叉段　２基本地质情况　该段裂隙发育，除ＰＪＮ２３和ＰＪＮ１９软弱夹泥层　位于拱顶及其以上部位，与洞轴成近似平行方向切　割外，尚有　等断层穿过，另外有多组裂隙互相切　割，形成不稳定块体，对洞室安全稳定造成不利影　响。各裂隙、夹层、断层的产状见表１。　毒　收稿目船　２ｏｏ８　２枷乏　。　÷　舞＿＿ｉ作者筒介　任苇ｎ晕７４囊），男ｉ１陕西省｛Ｌ泉县人　高级工程师，从　≯　羹。ｉ！ｉｉｉｉ！ｉ：毒簟’　。ｒ　　。事水电站工程水工结构设计　维普资讯 http://www.cqvip.com 西北水电・２００８年・第３期　１９　表ｌ　各裂隙结构面基本参数表　３边坡稳定计算　３．１关键块体确定　选择参照圆半径，根据结构面产状绘制其赤平　投影图。通过计算所有可能失稳的块体的净滑动　力，如果净滑动力＞０，则需予锚固，为关键块体，如　果净滑动力＜０，则不是关键块体。计算考虑沿单面　滑动和双面滑动２种可能情况进行分析。　３．１．１按单面滑动计算净滑动力　仅考虑重力作为主动力合力，此时，仅平面ｉ保　持接触，净滑动力计算公式为：　Ｆ＝　ｌ疗　×ｒ　ｌ　一１疗　×ｒ　Ｉ　ｔａｎ　式中：　为结构面ｉ的向上的单位法线向量；　为主　动力合力单位向量，仅考虑自重时，为（０，０，一１）；　为结构面ｉ内摩擦角。　计算结果表明，除　１３外，其余结构面在不同　裂隙组合情况下，净滑动力均＞０，可能发生单面滑　单面滑动绸合ＪＰ　图ｌ　单面滑动不同裂隙组合的关键块体　动。不同裂隙组合的关键块体见图１。　３．１．２按双面滑动计算净滑动力　仅考虑重力作为主动力合力，除平面ｉ和　外，　其余各结构面皆与岩体脱离，净滑动力计算公式为：　Ｆ＝　雨１　×　　ｌ　［　×（　Ｘ　）ｌ疗　×　ｌ—ｌ（　×　疗　）Ｘ（疗　×疗　）　ｔａｎ　一ｌ（　Ｘ疗　）Ｘ（疗　Ｘ　）　ｌ　ｔａｎ　］　式中：疗　，疗　为结构面ｉ，Ｊ．的向上的单位法线向量；　为主动力合力单位向量，仅考虑自重时，为（０，０，　一１）；　，　分别为结构面ｉ√内摩擦角。　可能发生双面滑动的不同裂隙组合的关键块体　见图２。　双面滑动组合ＪＰ　图２双面滑动不同裂隙组合的关键块体　３．２最大可动域确定　首先，绘制一个关键块体ＪＰ的各棱投影，并绘　出隧洞轴线投影Ａ和Ａ　，过投影Ａ，Ａ　和各棱三点作　圆，可以找出２个与ＪＰ相切的大圆，相应的棱即为　端棱。　量出这２个相切圆（平面）的倾向　¨按下式计　算其倾角：　＝ａｒｃｃｏｓ（Ｒ／ｒ）　式中：Ｒ为参照圆半径；ｒ为相切圆的半径。　然后，计算该端棱指向ＪＰ外法线的方位角，由　于本次计算中孔与导流洞交叉段轴线基本水平，故　按照《块体理论在工程岩体稳定分析中的应用》　式７—２７计算。　叼　＝９０。（１＋Ｓ）±　ｓｉｎ（卢一　）　维普资讯 http://www.cqvip.com

２Ｏ　任苇．赤平投影法在积石峡水电站泄洪洞与导流洞交叉段设计中的应用　表２不Ｊ司裂隙组合最大日Ｊ动域投影面积表　ｆ１　Ｌ一１　（当ＪＰ在Ｐ　圆内域）　（当ＪＰ在Ｐ　圆夕　域）　面　／ｍ　２７．１　９２．７　６１．１　２４．４　１５６．２　６２．２　１８０．４　１８．６　８３．０　１４０．５　式中：ＪＢ为隧洞轴线的倾向。　最后，按照计算方位角确定端棱方向，使其与隧　。．ｓ，，。．∞ｓ。鸵　。．　∞。．　ｓ。．ｓ∞。．∞ｚ。．　。．　ｏｓ。．２９６　洞开挖断面相切即为最大可动区域，各ＪＰ端棱按照　作图及辅助计算确定，经过定性分析最终确定分析　嘉　ｓ．ｓｚ，ｓ　．０９７　ｚ　．。　ｓ，．，　舛％．　，，　．∞，ｓ．７０４７，．ｚ２０８　ｓ．　．６４７　３．３．１　滑动裂隙组合⑤分析　计算的裂隙组合为沿单面滑动的①，②，③，④，⑤，　⑥，⑧，⑨，⑩及沿单面滑动的（３），共１Ｏ组。　３．３锚固措施确定　各裂隙组合在平面上的投影应该为一个多边　形，为简化计算，考虑成每个剖面均出现这种最不利　的投影域，这样是偏安全的；因此，仅需考虑最大可　动域中面积最大的作为控制断面。不同裂隙组合最　大可动域投影面积见表２。　为简化计算，滑出位置假设在右边墙１／３高处，　按三角区域计算最大滑动域，较原实际可能值大，偏　保守，按照实际比例绘制平面投影如图３，底面积为　７３．６　ｍ　，高度为１７．０７　ｍ，可能最大体积４１８．８　ｍ　，　开挖期按天然容重２６．７　ｋＮ／ｍ　，重量　为１１　１８２　ｋＮ，考虑前面计算的滑动力为０．６１８Ｗ，滑动力为　６　９１０　ｋＮ，按１　０００　ｋＮ预应力锚索锚固，则共需约７　根，分布长度２７　ｍ，最大深度１７　ｍ＋８　ｍ（锚固段）　＝故计算选取单面滑动裂隙组合②，⑤，⑥，⑧，⑩　及双面滑动裂隙组合（３）进行分析，考虑前面计算的　滑动力占重量百分比数，综合考虑选用计算组合为　⑤，（３），　２５　ｍ，间距３　ｍ即可满足。　３．３．２滑动裂隙组合（３）分析　按照实际比例绘制平面投影如图３，底面积　１３９．６　ｍ　，高度１３．９５　ｍ，可能最大体积６４９．１　ｍ　，　开挖期按天然容重２６．７　ｋＮ／ｍ　，重量　为１７　３３２　ｋＮ，考虑前面计算的滑动力为０．２９６Ｗ，滑动力为　掌　５　１３０　ｋＮ，按１　０００　ｋＮ预应力锚索锚固，则共需约５　根，分布长度１２　ｍ，最大深度１４　ｍ＋８　ｍ（锚固段）　＝２２　ｍ，均取２０　ｍ，在投影三角区内布置间距３　ｍ　即可满足。　４结论　根据分析，确定关键块体，选定控制裂隙组合，　并进行锚固分析，最终确定设计参数为：沿交叉段顶　部布置１　０００　ｋＮ预应力锚索锚固３排，采用长度为　２５，２０　ｍ间隔布设，洞走向方向间距３　ｍ即可满足。　参考文献：　［１］刘锦华，吕祖珩．块体理论在工程岩体稳定分析中的应用　『Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９８８．　Ｖ＝４１８．８　Ｗ＝ＩＩ８２ｋＮ　Ｆ＝６９１０ｋＮ　ｊ　｝　＝１　７３３２　ｌ（Ｎ　Ｆ＝５ｌ３０　ｋＮ　７５，间距２７．０３／￥＝３ｍ　５根，间距取３ｍ　图３典型裂隙组合赤平投影分析图