控制性結(jié)構(gòu)面對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定性的影響

巨能攀 趙建軍 黃潤(rùn)秋 孫傳敏

(成都理工大學(xué)“地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都610059)

一般而言,巖體結(jié)構(gòu)面是自然地質(zhì)歷史過(guò)程的產(chǎn)物,結(jié)構(gòu)面規(guī)模越大,對(duì)工程的控制和影響就越大,它們往往關(guān)系到山體、巖體和區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性,影響和控制工程結(jié)構(gòu)形式、布置和選點(diǎn),控制巖體破壞形式,對(duì)工程整體穩(wěn)定性影響較大[1]。規(guī)模越小的結(jié)構(gòu)面主要控制巖體破壞形式,對(duì)工程局部穩(wěn)定性有一定的影響?；w裂隙則主要影響巖體的完整性、力學(xué)特性、滲透性并決定巖體的破壞形式,對(duì)工程穩(wěn)定性影響不突出[2,3]。所以控制性結(jié)構(gòu)面主要是對(duì)地下洞室布置和圍巖穩(wěn)定性起控制作用的大規(guī)模斷層或軟弱夾層。

眾多學(xué)者研究了結(jié)構(gòu)面對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定的影響,但已有的成果主要集中在具體工程和具體工程特性的結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響方面[4～7]。針對(duì)結(jié)構(gòu)面對(duì)地下洞室布置和圍巖穩(wěn)定影響的宏觀規(guī)律還沒有取得比較系統(tǒng)的成果,僅有些局限于實(shí)踐基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn),如“陡傾結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較小,而緩傾影響較大”等,還沒有對(duì)結(jié)構(gòu)面與工程布置和圍巖穩(wěn)定性的相互作用關(guān)系做詳細(xì)的研究。本文以糯扎渡水電站的地下洞室群為原型,在眾多的結(jié)構(gòu)面中,選取兩類典型的結(jié)構(gòu)面,分別詳細(xì)分析它們對(duì)地下廠房圍巖應(yīng)力、變形的影響,總結(jié)出控制性斷層和主要結(jié)構(gòu)物的距離與結(jié)構(gòu)物應(yīng)力和變形的關(guān)系,以及不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖應(yīng)力和應(yīng)變影響的定量關(guān)系。其成果對(duì)其他類似的洞室群的布置和形態(tài)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)面工程特性

糯扎渡水電站壩高261.5 m,裝機(jī)容量5 850 MW。電站采用左岸地下發(fā)電系統(tǒng),其地下發(fā)電系統(tǒng)主要由主廠房(418 m ×29 m×77.7 m)、主變開關(guān)室、尾水調(diào)壓室以及尾水洞等構(gòu)成了龐大而復(fù)雜的地下洞室群。

地下洞室群的主體巖性為二疊紀(jì)-三疊紀(jì)花崗巖,690～810 m海拔高度以上為緩傾坡內(nèi)的中三疊統(tǒng)忙懷組下段砂巖、泥巖[8,9]。地下廠房區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果,最大主應(yīng)力量值為6.55～11.41 MPa,方向大致為 N20°～65°E。大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明,研究區(qū)發(fā)育有三類結(jié)構(gòu)面。其中Ⅰ類結(jié)構(gòu)面為具有一定寬度構(gòu)造巖充填的控制性斷層型結(jié)構(gòu)面,其總體特征表現(xiàn)不僅在規(guī)模上具有一定的延伸長(zhǎng)度(一般貫穿整個(gè)壩區(qū),延伸長(zhǎng)度在100 m以上),而且具有一定厚度的斷層破碎帶,破碎帶物質(zhì)多由性狀相對(duì)較差的各類構(gòu)造巖組成。因而這類結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體的變形破壞起著關(guān)鍵性的控制作用。其巖體力學(xué)效應(yīng)和強(qiáng)度特征主要受充填物的性質(zhì)和厚度控制。根據(jù)其規(guī)模,這類結(jié)構(gòu)面又可進(jìn)一步分為兩級(jí)：①延伸長(zhǎng)度在1 km以上(Ⅰ-1);②延伸長(zhǎng)度在0.1～1 km 之間(Ⅰ-2)。顯然,這類結(jié)構(gòu)面對(duì)工程巖體穩(wěn)定性的控制范圍不同,因而具有不同的工程意義。Ⅰ類結(jié)構(gòu)面展布特征如圖1所示,其工程特性如表1所列。

2 Ⅰ-1類結(jié)構(gòu)面對(duì)地下洞室群布置的控制

2.1 地下洞室的選址和布置基本要求

水電站地下洞室的位置選擇應(yīng)以地下廠房為主,兼顧其他洞室,綜合巖性、巖體結(jié)構(gòu)特性、軟弱地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的空間展布、風(fēng)化卸荷深度、地應(yīng)力狀態(tài)及水文地質(zhì)條件,確定地下廠房的臨河距離、埋置深度及空間位置[10]。一般而言,巖體結(jié)構(gòu)較差且地應(yīng)力較低時(shí),廠房軸線的確定以巖體結(jié)構(gòu)條件為主;當(dāng)巖體結(jié)構(gòu)較好,且地應(yīng)力值較高時(shí),應(yīng)考慮地應(yīng)力因素為主。按照一般要求,廠房選址時(shí)應(yīng)避開Ⅰ級(jí)結(jié)構(gòu)面,盡量避開Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面。廠房軸線的方向與廠區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向的夾角不宜過(guò)大,一般要求小于30°。

圖1 結(jié)構(gòu)面展布特征Fig.1 Distribution character of main discontinuities

2.2 糯扎渡地下洞室群的布置

糯扎渡水電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置于左岸山體中,廠區(qū)由主廠房、主變室、尾水閘門室及尾水調(diào)壓室等構(gòu)成,主要洞室的山體覆蓋厚度約為180～220 m,距坡面的水平距離在250 m左右。引水系統(tǒng)包括引渠、進(jìn)水口、壓力管道等建筑物,發(fā)電機(jī)組均為單機(jī)單管引水[11]。按照前述的地下洞室布置原則,需要盡可能增加地下洞室群與F1和F3斷層距離;但由于廠房區(qū)的構(gòu)造格架、地質(zhì)條件和建設(shè)規(guī)模的限制,廠房區(qū)主要的四大洞室群沒有向外移動(dòng)的余地,通過(guò)多種方案的分析研究,確定以減少主廠房的長(zhǎng)度和通過(guò)壓縮洞室間距的方法使得洞室群盡量遠(yuǎn)離F3和F1斷層。何種距離最利于洞室的穩(wěn)定?本文擬以洞室群的主廠房為原型,采用Flac3D數(shù)值模擬方法[11～13]來(lái)研究F3、F1斷層與洞室邊墻不同距離時(shí)廠房的應(yīng)力和應(yīng)變特性,得到距離和洞室群穩(wěn)定性的相互關(guān)系。

表1 Ⅰ類結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)面的工程特性Table 1 Engineering characteristics of typical TypeⅠjoints

2.3 計(jì)算模型及其模擬方案設(shè)計(jì)

糯扎渡水電站的主廠房位于壩區(qū)左岸,其垂直埋深約200 m,外側(cè)端墻距坡面距離近250 m。其廠房區(qū)巖體主要為塊狀、次塊狀的花崗巖,總體上巖體為Ⅱ類巖體,和從廠房的北東側(cè)通過(guò)。地下廠房和F3,F1的關(guān)系如圖1所示,建立的計(jì)算模型如圖2所示。

主廠房區(qū)主要為Ⅱ類花崗巖,F1和F3為斷層型Ⅰ-1結(jié)構(gòu)面。巖體和斷層的取值如表2所示[4,5,12]。

共建立15個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比。整個(gè)洞室的內(nèi)端墻到F3的距離從180 m變化到40 m,每個(gè)模型的內(nèi)端墻到F3的距離相差1 0m,記下每個(gè)模型開挖后如圖3所示追蹤點(diǎn)的位移和應(yīng)力值,然后進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2 主廠房與F1,F3相互關(guān)系Fig.2 Relation between the main plant and F1,F3

圖3 追蹤點(diǎn)布置示意圖Fig.3 The layout of tracking points

2.4 模擬結(jié)果分析

地下洞室開挖后,圍巖在初始應(yīng)力場(chǎng)的作用下向廠房的臨空面發(fā)生了一定的位移,同時(shí)圍巖的應(yīng)力場(chǎng)也發(fā)生了變化;特別是隨著洞室與F1和F3的距離減小,在洞室的端墻附近產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中,其位移值也出現(xiàn)較明顯的變化。

2.4.1 應(yīng)力隨距離動(dòng)態(tài)變化分析

地下洞室開挖后,圍巖的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了變化(圖4、圖5)。為了準(zhǔn)確了解各距離條件下應(yīng)力的變化狀況,在模擬計(jì)算過(guò)程中,利用Flac3D的Fish語(yǔ)言,開發(fā)了記錄各個(gè)追蹤點(diǎn)應(yīng)力并自動(dòng)保存為外部文件的實(shí)用程序,以此做出各個(gè)追蹤點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析,如洞室2#追蹤點(diǎn)應(yīng)力隨端墻距離的變化曲線(圖6)。

綜合以上各點(diǎn)的應(yīng)力隨內(nèi)端墻與F3距離的變化特征可看出,不同工程部位F3的影響效果有一定的差異,如頂拱隨著距離的變化,應(yīng)力變化規(guī)律不明顯,最大(小)主應(yīng)力都在一定范圍附近內(nèi)波動(dòng)。其他各點(diǎn)總體上表現(xiàn)為：F3對(duì)洞室圍巖應(yīng)力產(chǎn)生較大影響的距離主要在80 m以內(nèi),對(duì)應(yīng)力的影響主要呈現(xiàn)出最大主應(yīng)力不斷增加,而最小主應(yīng)力逐漸減小,使得應(yīng)力差加速增大而影響洞室的圍巖穩(wěn)定,如內(nèi)端墻中部2#(圖6)。對(duì)圍巖最大主應(yīng)力隨端墻到距離的變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)得到如圖7所示曲線,從中也可以體現(xiàn)端墻應(yīng)力隨距離的變化規(guī)律,應(yīng)力最大值隨內(nèi)端墻距F3距離的減小而增大,特別是80 m后增大較快,最大增值近2倍。

表2 巖體和斷層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass and faults

圖4 模型15最大主應(yīng)力等值線圖Fig.4 Contour of the max stress in Model 15

圖5 模型15最小主應(yīng)力等值線圖Fig.5 Contour of the min stress in M odel 15

2.4.2 位移隨距離動(dòng)態(tài)變化分析

地下洞室開挖后,圍巖將產(chǎn)生位移變化(圖8)。為準(zhǔn)確了解各距離條件下位移的變化狀況,同樣開發(fā)了記錄各個(gè)追蹤點(diǎn)位移并自動(dòng)保存為外部文件的實(shí)用程序,以此做出各個(gè)追蹤點(diǎn)的位移變化曲線并進(jìn)行對(duì)比分析,如洞室6#追蹤點(diǎn)位移隨端墻距離的變化曲線(圖8)。

圖6 內(nèi)端墻中部(2#)應(yīng)力隨端墻距離變化曲線Fig.6 Curve between stress and distance of 2#

圖7 圍巖應(yīng)力最大值隨端墻距離變化曲線Fig.7 Curve between max of stress and distance

圖8 端墻中心(6#)位移隨端墻距離變化曲線Fig.8 Curve between displacement and distance of 6#

綜合各追蹤點(diǎn)的位移隨內(nèi)端墻與F3距離的變化特征可看出：雖然不同追蹤部位各個(gè)方向位移的變化特點(diǎn)有一定的差異,但總體上主廠房圍巖位移隨內(nèi)端墻F3距離的減小而不斷增加;特別是在F3距內(nèi)端墻距離小于60 m后,各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移總體上呈現(xiàn)出大幅增加的特點(diǎn),如洞室內(nèi)端墻中心6#(圖8)。從各個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大位移統(tǒng)計(jì)曲線(圖9)也可看出,當(dāng)距內(nèi)端墻距離小于60 m后,圍巖的最大位移也產(chǎn)生了較為顯著的變化：可見F3對(duì)洞室圍巖變形產(chǎn)生較大影響的距離為60 m。

圖9 主廠房圍巖位移最大值隨端墻距離變化曲線Fig.9 Curve between max of displacement and distance

3 Ⅰ-2類結(jié)構(gòu)面對(duì)地下洞室群圍巖穩(wěn)定性的影響

3.1 計(jì)算模型及其模擬方案設(shè)計(jì)

地質(zhì)模型選擇思路和方法相同,仍以糯扎渡地下廠房為原型,結(jié)構(gòu)面選取較為典型的。廠房區(qū)巖體主要為塊狀、次塊狀的花崗巖,總體上為Ⅱ類巖體,假設(shè)從主廠房中部通過(guò)。

模型的計(jì)算參數(shù)見表2。為了研究洞室圍巖應(yīng)力和變形與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的相互關(guān)系,本次模擬共建立36個(gè)模型。結(jié)構(gòu)面與洞室軸線的夾角分別為 15°,30°,45°,60°,75°,90°;其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)面傾角分別為 15°,30°,45°,60°,75°,90°,相互組合構(gòu)成36個(gè)計(jì)算模型。在分析過(guò)程中,沿軸線每隔10 m記錄模型開挖后追蹤點(diǎn)的位移和應(yīng)力值,然后進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)力場(chǎng)分布特征

地下洞室開挖后,圍巖的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化,最大主應(yīng)力方向與邊墻基本平行,最小主應(yīng)力與邊墻近于垂直,在斷層與邊墻相交的位置產(chǎn)生拉張應(yīng)力集中。同樣,根據(jù)記錄值,作出各個(gè)追蹤點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線進(jìn)行對(duì)比分析(圖10)。

根據(jù)模擬結(jié)果得出洞室各追蹤點(diǎn)主應(yīng)力隨傾角、夾角的變化規(guī)律如下：在不同夾角和傾角結(jié)構(gòu)面的影響下,洞室頂拱、底板中點(diǎn)和洞室左右邊墻應(yīng)力變化特點(diǎn)存在一定的差異;但總體看來(lái),隨著結(jié)構(gòu)面與洞室軸線夾角的變化,最大主應(yīng)力量值減小,最小主應(yīng)力呈現(xiàn)小幅波動(dòng)。隨著結(jié)構(gòu)面傾角和結(jié)構(gòu)面與洞室軸線的夾角的增大,對(duì)圍巖的應(yīng)力影響卻逐漸減弱。中等傾角的結(jié)構(gòu)面對(duì)洞室邊墻的圍巖應(yīng)力影響較小,而低傾角的結(jié)構(gòu)面對(duì)洞室的邊墻圍巖應(yīng)力的影響較大;傾角為15°時(shí),隨著傾角的增加主應(yīng)力不斷增大,應(yīng)力差也不斷增大：這種應(yīng)力條件不利于圍巖的穩(wěn)定。

圖10 頂拱追蹤點(diǎn)應(yīng)力隨傾角(夾角)變化曲線Fig.10 Curve between top tracking point and dip direction or angel

3.2.2 變形場(chǎng)特征

地下洞室開挖后,圍巖在初始應(yīng)力場(chǎng)的作用下向廠房的臨空面發(fā)生了位移,特別在低-中傾角的斷層附近產(chǎn)生了較大的位移。通過(guò)開發(fā)的程序記錄各個(gè)追蹤點(diǎn)的位移,以此作出各個(gè)追蹤點(diǎn)的位移變化曲線來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析,如洞室拱頂位移隨軸線交角的增加和結(jié)構(gòu)面傾角的變化曲線(圖11)。

根據(jù)模擬結(jié)果得出洞室各追蹤點(diǎn)位移隨傾角、夾角的變化規(guī)律如下：隨著結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的變化,結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖位移的影響效果不顯著,得到的位移隨角度的變化曲線雖有一定的規(guī)律,但整個(gè)量值變化不大,洞室拱頂和底板圍巖主要以向洞室內(nèi)部回彈變形為主,隨著洞室結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的變化,量值變化不大;洞室邊墻的圍巖變形主要以X和Y方向的位移為主,特別在中等傾角的情況下,X和Y方向的位移均有所增加,而且總的最大位移量可能成倍增加?？梢娭械葍A角的結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖的穩(wěn)定不利。

圖11 頂拱追蹤點(diǎn)位移隨傾角、夾角變化曲線Fig.11 Curve between top tracking point and dip direction or angel

4 結(jié)論

以糯扎渡地下洞室群為原型,利用數(shù)值模擬方法,研究Ⅰ-1級(jí)(,)結(jié)構(gòu)面對(duì)地下洞室群布置的控制作用和Ⅰ-2類結(jié)構(gòu)面()對(duì)地下廠房圍巖應(yīng)力、變形的影響效應(yīng),得出如下基本結(jié)論：

a.Ⅰ級(jí)結(jié)構(gòu)面與洞室內(nèi)端墻距離小于80 m時(shí),應(yīng)力影響效果顯著,最大主應(yīng)力增大近2倍,而最小主應(yīng)力減小,使得應(yīng)力差增大,影響圍巖穩(wěn)定。當(dāng)距離大于80 m時(shí),影響效應(yīng)不明顯?？梢?對(duì)圍巖應(yīng)力產(chǎn)生顯著影響主要在80 m以內(nèi)。

b.主廠房圍巖位移隨內(nèi)端墻距F3的距離減小而不斷增加,特別是小于60 m后,各點(diǎn)位移增幅達(dá)1.5倍;而當(dāng)距離大于60 m時(shí),影響較小。可見,對(duì)圍巖變形產(chǎn)生顯著影響主要在60 m以內(nèi)。

c.在洞室拱頂和底板處,隨著結(jié)構(gòu)面傾角和結(jié)構(gòu)面與洞室軸線的夾角增大,對(duì)圍巖的應(yīng)力影響逐漸減弱。中等傾角的結(jié)構(gòu)面對(duì)洞室邊墻的圍巖應(yīng)力影響較小,而低傾角的結(jié)構(gòu)面對(duì)洞室的邊墻圍巖應(yīng)力的影響較大。當(dāng)傾角為15°時(shí),應(yīng)力差較大,不利于圍巖的穩(wěn)定。

d.隨著結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的變化,對(duì)圍巖位移的影響不顯著。洞室拱頂和底板圍巖主要以向洞室內(nèi)部回彈變形為主,洞室邊墻圍巖的變形主要以X和Y方向?yàn)橹鳌Ｔ谥械葍A角的情況下,X和Y方向的位移較大。可見中等傾角的結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖的穩(wěn)定不利。

e.綜合分析應(yīng)力和變形的變化規(guī)律,在地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域布置廠房時(shí),端墻與控制性斷層的距離宜大于80 m,亦即距離應(yīng)大于3倍洞室跨徑。

[1]張倬元,王士天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京：地質(zhì)出版社,1994.

[2]孫廣忠.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,1988.

[3]谷德振.巖體工程地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社,1979.

[4]黃潤(rùn)秋,許模,陳劍平,等.復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)精細(xì)描述及其工程應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2004.

[5]朱維申,李曉靜,郭彥雙,等.地下大型硐室群穩(wěn)定性的系統(tǒng)性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(10)：1689-1693.

[6]楊為民,陳衛(wèi)忠,李術(shù)才,等.快速拉格朗日法分析巨型地下硐室群穩(wěn)定性[J].巖土工程學(xué)報(bào),2005,27(2)：230-234.

[7]崔銀祥,聶德新,陳強(qiáng),等.大跨度地下硐室圍巖結(jié)構(gòu)面空間展布的確定性研究[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,32(4)：0351-356.

[8]魏植生,何偉.糯扎渡水電站樞紐區(qū)主要工程地質(zhì)問(wèn)題研究[J].水力發(fā)電,2005,31(5)：26-28.

[9]王文遠(yuǎn),張四和.糯扎渡水電站左岸廠房區(qū)地下硐室群圍巖穩(wěn)定性研究[J].水力發(fā)電,2005,31(5)：30-33.

[10]陳祖安,孫仲樂(lè),彭土標(biāo),等.中國(guó)水力發(fā)電工程：工程地質(zhì)卷[M].北京：中國(guó)電力出版社,2000.

[11]張宗亮.糯扎渡水電站工程特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].水力發(fā)電,2005,31(5)：5-9.

[12]巨能攀.大跨度高邊墻地下硐室群圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及支護(hù)方案的系統(tǒng)工程地質(zhì)研究[D].成都：成都理工大學(xué)檔案館,2005.