地下工程地质分析-从理论到实践

随着我国水利水电建设事业的飞速发展和施工技术的不断改进,越来越多的水电站厂房被布置在地下,地下建筑物的数量愈来愈多,规模愈来愈大。大跨度、高边墙地下厂房及长隧洞的兴建,必然会遇到复杂的地质条件和大量的地质问题,给地下工程设计与施工带来较大的困难,难以得到令人满意的解答。而通过对三维地质模型进行地下工程开挖模拟,可为地下建筑物设计与施工中遇到的工程地质问题提供一种有效的分析手段。

6.4.2.1　地下工程地质模型分析

基于三维地质模型或岩级模型,对各种地下洞室进行工程地质分析,主要从以下几个方面进行:

(1)地下洞室地质开挖模拟。利用地下洞室设计方案建立起相应的三维几何模型,与三维地质或岩级模型一起作体与体之间的布尔差运算,进行地下洞室开挖模拟,一方面可得到开挖后的地质或岩级模型,另一方面还可得到开挖出来的整体地下洞室群方案的地质或岩级模型,能够直观地对其地层岩性、地质构造和岩体质量进行工程地质评价分析。

(2)与地下洞室相关的地质模型剖切。根据开挖后的三维地质或岩级模型,可对其进行一系列与地下建筑物有关的剖切分析,如沿三大洞室(主厂房、主变室、调压室)轴线的地质剖切、沿一条引水洞—尾水管—尾水洞轴线的剖切等,以便深入了解地下洞室所处的地质环境。(www.xing528.com)

(3)地下洞室布置方案选择的地质评价。地下洞室位置的选择主要受地形、岩性、岩体质量、地质构造、地下水等工程地质条件的控制,其中地形对进出口位置影响较大,其他对地下洞室围岩稳定与施工开挖有重要的影响。依据上述开挖模拟和剖切分析,可对不同布置方案的诸多地质因素进行快速直接的对比分析,获得客观的地质评价结果,并能实时修改调整,设计更优的布置方案。

(4)地下工程施工开挖的宏观地质预测。在选定地下洞室布置方案进行施工开挖的过程中,其地质情况的不确定性和未知性给施工带来很大的困难,尤其是会产生不良影响的地质现象,如软弱岩层塌方、断层破碎带涌水等。通过上述地质分析可为地下工程施工提供宏观的地质预测,利用已开挖得到的地质信息对原有模型及时修改更新,遇到不良地质缺陷前应进行认真分析,并与工程实际中广泛应用的探测超前地质预报相结合,效果更佳。

(5)地下洞室地质模型与施工过程动态分析的结合。目前对地下洞室群施工全过程的动态分析均未考虑其相关的地质条件和地质环境,而把所有部位岩体当作均质处理,显然存在较大的不合理性。因此,若将三维地下洞室地质模型与其施工过程动态分析结合起来,对不同级别性质的岩体选取不同的施工参数,考虑不良地质构造对施工进度的影响,在一定程度上能克服传统方法的局限,得到更加合理可靠的模拟成果。

6.4.2.2　锦屏一级地下洞室群三维地质分析

锦屏一级水电站装机容量3600MW,安装6台600MW的水轮发电机组,主厂房宽约30m。普斯罗沟坝址处河谷狭窄,两岸岸坡陡峻,枢纽泄洪流量大,不具备布置岸边明厂房及坝后式厂房的条件,故采用地下式厂房的布置形式。由于左岸围岩稳定性差,存在较多地质缺陷,不适合大型洞室群的布置;右岸山体浑厚,岩体完整性较好,适于布置大型地下洞室群,故引水发电系统布置在右岸。厂房地下洞室群布置在水平埋深约150m以上的大理岩夹绿片岩中,围岩类别以Ⅲ1类为主,三大洞室围岩以Ⅲ1、Ⅲ2类为主,但f13断层带位于安装间中部,为Ⅴ类围岩,其上盘NW向裂隙密集带为Ⅳ1类围岩;主厂房、主变室、1号尾水调压室将穿过f14断层带,为Ⅳ1～Ⅴ类围岩;对断层带、裂隙密集带通过处的洞室段需及时进行有效的支护处理,同时加强防渗排水。初步的方案模型如彩图6.9所示。由彩图6.9可见,该方案中较差的Ⅲ2类岩体所占比例较大,如主厂房约占1/3,主变室甚至达到一半,该方案不可取,因此应进行优化调整,新的方案岩级模型如彩图6.10所示。根据该方案对三维岩级模型进行开挖,然后沿主要洞室轴线进行相关的剖切分析,如彩图6.11所示。