東非某大型水電工程地下洞室群穩(wěn)定性研究

章奇鋒, 向天兵, 李 華, 楊凡杰, 張傳慶

(1.浙江華東建設(shè)工程有限公司， 浙江 杭州 310014; 2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051; 3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所， 湖北 武漢 430071)

1 研究背景

地下洞室群的穩(wěn)定性是眾多大型基建工程的關(guān)鍵問(wèn)題。向天兵等[1]依據(jù)控制因素、破壞機(jī)制、發(fā)生條件等歸納出18種典型的圍巖破壞模式，給出了各種破壞模式的主要穩(wěn)定分析方法及控制措施的建議，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)巖體破壞模式的識(shí)別具有重要意義。馮夏庭等[2]建議采用經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比、數(shù)值分析、智能分析等多種方法進(jìn)行綜合評(píng)判，從地質(zhì)條件、地應(yīng)力特征、圍巖變形破壞機(jī)制、破壞模式的識(shí)別、開(kāi)挖支護(hù)響應(yīng)、監(jiān)測(cè)反饋分析等開(kāi)展動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

在洞室穩(wěn)定性分析方面，數(shù)值模擬是重要的方法之一，已經(jīng)普遍應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中解決各種巖石力學(xué)問(wèn)題，其要求研究人員具備足夠的知識(shí)結(jié)構(gòu)及工程經(jīng)驗(yàn)[3]。同時(shí)，巖體參數(shù)取值是數(shù)值計(jì)算的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，在很多情況下是根據(jù)巖石塊體的試驗(yàn)結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)條件獲得[4]。

郭維祥等[5]總結(jié)了Hoek-Brown方法在中國(guó)西部若干大型水電站的科研成果及工程應(yīng)用，認(rèn)為該方法比傳統(tǒng)的水電方法及Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論具有更好的合理性，能夠更合理描述現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和解釋圍巖變形破壞特征。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算與分析，評(píng)價(jià)了K項(xiàng)目地下洞室群的整體穩(wěn)定性，并對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行了模擬，該分析成果對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)及施工有重要的參考價(jià)值，也可為該地區(qū)的其他地下工程提供重要借鑒。

2 資料和方法

2.1 工程概況

東非某水電站K項(xiàng)目總裝機(jī)600 MW，項(xiàng)目臨近尼羅河源頭，緊鄰東非大裂谷，地層為前寒武系的變質(zhì)結(jié)晶基底，片麻理構(gòu)造明顯，上覆殘積層較厚，洞室埋深較淺，其工程地質(zhì)條件在東非地區(qū)具有很強(qiáng)的代表性。

項(xiàng)目的主體構(gòu)筑物布置于地下，由廠房、主變洞、尾調(diào)室、輸水系統(tǒng)等組成，其中廠房尺寸為200 m×19.6 m×53 m(長(zhǎng)×寬×高)，主變洞161.4 m×14.7 m×32.95 m(廠房下游40m)，尾調(diào)室320 m×21 m×70 m(主變洞下游137.7 m)，中部用厚30 m的巖墻分隔成左、右調(diào)壓室。

2.2 地質(zhì)概況

K項(xiàng)目位于烏干達(dá)境內(nèi)[6]，距離東非大裂谷西支55 km，見(jiàn)圖1。裂谷的擴(kuò)張對(duì)工程區(qū)形成擠壓效應(yīng)。一般認(rèn)為，自元古代至太古代(20億年前)，該區(qū)域就已經(jīng)形成了穩(wěn)定的大陸核心地塊，被稱(chēng)為中非克拉通地塊；該地塊與其他多個(gè)克拉通地塊于5.4億年前匯聚形成了非洲板塊。自寒武紀(jì)(5.4億年)以來(lái)，本地塊就保持著較強(qiáng)的整體穩(wěn)定性，因此項(xiàng)目毗鄰區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。工程區(qū)的地層形成于約26億年前，并在前寒武紀(jì)的早中期發(fā)生了大面積的中級(jí)區(qū)域變質(zhì)作用，形成了明顯的片麻理構(gòu)造。片麻理是一種流劈理構(gòu)造，是在區(qū)域變質(zhì)作用下，各種礦物發(fā)生壓扁、拉長(zhǎng)、重結(jié)晶等變化及定向排列[7]。一般而言，流劈理只是一種潛在的破裂面，因此，K項(xiàng)目的巖體普遍較完整，部分片麻理發(fā)生了斷續(xù)的破裂現(xiàn)象。

地下洞室群由廠房、主變洞及尾調(diào)室等組成，埋深約70～90 m，上覆有效巖體厚度32～50 m(其上為全強(qiáng)風(fēng)化層)，為微風(fēng)化～新鮮的花崗片麻巖，堅(jiān)硬較完整為主，以Ⅱ類(lèi)圍巖為主，局部Ⅲ類(lèi)。

本項(xiàng)目采用了水壓致裂法測(cè)量地應(yīng)力，分別在兩個(gè)鉆孔(孔深150 m)中進(jìn)行[8]。該方法假定垂直向地應(yīng)力σv為主應(yīng)力之一，其量值等于上覆巖層的自重。本次測(cè)試數(shù)據(jù)分析時(shí)，參考了侯明勛等[9]關(guān)于裂縫閉合壓力Ps、破壞壓力Pf、重張壓力Pr等關(guān)鍵參數(shù)的識(shí)別方法及可能導(dǎo)致偏差的主要因素，提高了測(cè)試精度。測(cè)試結(jié)果表明本區(qū)以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主，最大水平主應(yīng)力為8.89 MPa，方向N56～60°E，擬合公式如下，其中σH及σh分別為水平向最大及最小主應(yīng)力，h為測(cè)點(diǎn)埋深：

(1)

圖1 大地構(gòu)造圖示

2.3 研究方法

根據(jù)工程地質(zhì)條件和構(gòu)筑物布置情況，建立三維數(shù)值模型；根據(jù)巖石試驗(yàn)成果采用Hoek-Brown準(zhǔn)則確定巖體力學(xué)參數(shù)，并對(duì)參數(shù)的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)；采用三維快速拉格朗日法模擬洞室逐層開(kāi)挖過(guò)程，并采用等效方法模擬系統(tǒng)支護(hù)效果；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析圍巖的應(yīng)力、變形、塑性區(qū)等力學(xué)響應(yīng)并評(píng)價(jià)洞室整體穩(wěn)定性，提出適合本工程的開(kāi)挖支護(hù)建議。

3 計(jì)算模型的建立及參數(shù)選取

3.1 模型的建立

本項(xiàng)目采用FLAC3D程序進(jìn)行計(jì)算分析，該方法采用三維快速拉格朗日法進(jìn)行計(jì)算，采用拉格朗日差分公式處理有限變形問(wèn)題，允許材料發(fā)生屈服及流變，適合于解決巖土工程中經(jīng)常遇到的大變形問(wèn)題，已經(jīng)在巖土工程界廣泛應(yīng)用[10]。

數(shù)值模型范圍的確定主要遵循以下原則：消除邊界效應(yīng)的影響；充分考慮洞室開(kāi)挖的實(shí)際情況和施工工序；軟件的正常運(yùn)行，不產(chǎn)生歧異結(jié)果。因此，本次模型邊界按滿足洞室周邊圍巖的厚度不小于3～5倍開(kāi)挖洞徑進(jìn)行要求，計(jì)算范圍為332 m×440 m×199 m，包括了廠房、主變洞、尾調(diào)室、引水隧洞、尾水隧洞、母線洞、出線豎井等。計(jì)算模型中，離散節(jié)點(diǎn)總數(shù)119 867個(gè)，多面體單元總數(shù)709 255個(gè)；巖體采用實(shí)體單元模擬，斷層、節(jié)理采用接觸面單元或參數(shù)等效弱化實(shí)體單元模擬，錨噴支護(hù)采用參數(shù)等效強(qiáng)化實(shí)體單元模擬。其中洞室群的網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2，模型四周為法向約束，底部為三向約束，地表為自由邊界，地應(yīng)力場(chǎng)采用擬合公式(1)。

圖2 地下洞室群的網(wǎng)格劃分

3.2 巖體力學(xué)參數(shù)的確定

(1) 巖體力學(xué)參數(shù)的估算。巖體力學(xué)參數(shù)的確定是洞室穩(wěn)定性研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一，其對(duì)開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。巖體原位試驗(yàn)的周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、測(cè)試?yán)щy、可重現(xiàn)性差，難以大量開(kāi)展且測(cè)試結(jié)果常呈現(xiàn)較大的離散性，難于應(yīng)用于工程實(shí)踐[11]。因此， Hoek等[12]通過(guò)幾百組巖石三軸試驗(yàn)資料及大量現(xiàn)場(chǎng)巖體試驗(yàn)成果的統(tǒng)計(jì)分析，提出了基于GSI圍巖分級(jí)系統(tǒng)和Hoek-Brown準(zhǔn)則估計(jì)巖體力學(xué)參數(shù)的方法，在工程實(shí)踐中具有很強(qiáng)的可操作性。

朱合華等[13]指出如何針對(duì)特定工程選取合適的巖石及巖體力學(xué)參數(shù)是開(kāi)展工程評(píng)價(jià)、分析、設(shè)計(jì)工作等的的關(guān)鍵，并系統(tǒng)闡述了Hoek-Brown準(zhǔn)則的發(fā)展歷史及最新進(jìn)展，總結(jié)了巖石及巖體參數(shù)的獲取方法、參數(shù)可靠度、微觀分析等問(wèn)題。

Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則[14]已經(jīng)在國(guó)際上被廣泛認(rèn)可，同時(shí)也是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議的方法之一，其形式如下：

(2)

公式(2)中各參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

mb=mi·e(GSI-100)/(28-14D)

s=e(GSI-100)/(9-3D)

式中：mi與巖性有關(guān)，可以從巖塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果擬合或查經(jīng)驗(yàn)值表獲得，GSI為巖體強(qiáng)度指標(biāo)，與巖體結(jié)構(gòu)及不連續(xù)面性狀有關(guān)[15]，D為擾動(dòng)系數(shù)，與爆破控制及應(yīng)力調(diào)整有關(guān)。

GSI指標(biāo)是該強(qiáng)度準(zhǔn)則的核心，但Hoek只給出了概化的區(qū)間范圍，沒(méi)有提出定量化的方法，導(dǎo)致GSI取值主觀性較強(qiáng)。蘇永華等[16]引入巖體塊度指數(shù)、風(fēng)化指數(shù)，從而對(duì)GSI的巖體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面性狀進(jìn)行量化，具有重要的參考價(jià)值。

另外，Hoek等[14]提出了的巖體變形模量的經(jīng)驗(yàn)公式：

(3)

由于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則歷史悠久，使用廣泛，很多經(jīng)典的解析表達(dá)式及數(shù)值分析軟件均基于該準(zhǔn)則，因此Hoek等[14]提出了從Hoek-Brown準(zhǔn)則等效計(jì)算Mohr-Coulomb準(zhǔn)則巖體參數(shù)的擬合方法，見(jiàn)圖3。

本項(xiàng)目地下洞室群的巖層總體較為一致，但可細(xì)分為兩種類(lèi)型，見(jiàn)圖4～6，其中A型為花崗片麻巖，是洞室內(nèi)的主要地層，B型則比A型的黑云母含量明顯要高，而黑云母是對(duì)巖石強(qiáng)度及不連續(xù)面性狀有明顯影響的因素，進(jìn)而影響到GSI取值。

巖石單軸抗壓試驗(yàn)采用美標(biāo)[17]，試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)尺寸修正后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；綜合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，尤其是考慮黑云母含量較高對(duì)不連續(xù)面性狀的影響，提出巖體的GSI值；然后應(yīng)用Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則得到巖體力學(xué)參數(shù)，并匯總于表1。其中，巖體單軸抗壓強(qiáng)度σc是指巖石微單元體的抗壓強(qiáng)度，而巖體抗壓強(qiáng)度σcm是指巖盤(pán)的整體抗壓強(qiáng)度，計(jì)算公式如下：

σc=σci·sa

(4)

σcm=2c·cosφ/(1-sinφ)

(5)

雖然洞室內(nèi)布置了位移及應(yīng)力監(jiān)測(cè)工作，但由于各儀器安裝嚴(yán)重滯后，未能測(cè)得初始變形，導(dǎo)致最終變形量明顯偏小，只能作為參考，因此本項(xiàng)目的巖體參數(shù)采用Hoek-Brownt破壞準(zhǔn)則進(jìn)行估算并與現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。

圖3 等效Mohr-Coulomb參數(shù)的擬合方法

(2) 巖體參數(shù)估算值的驗(yàn)證。本工程是堅(jiān)硬完整的巖體，是符合Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則的適用條件的。從數(shù)值計(jì)算成果可以看出，變形破壞集中于體型突變處，主要是中間巖墻及底部流道處，巖體易于破碎及松弛，這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的情況是一致的。

A型是洞室的主要圍巖，巖體變形模量Em較大，數(shù)值計(jì)算表明洞室整體變形量很小，洞室穩(wěn)定性良好，這是符合開(kāi)挖現(xiàn)象及監(jiān)測(cè)規(guī)律的。

B型巖石分布于局部洞段，洞室開(kāi)挖后，整體穩(wěn)定性良好，但觀察到洞壁巖體逐漸趨于破碎的現(xiàn)象，而此現(xiàn)象在其他部位是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的。從表1及數(shù)值計(jì)算結(jié)果看，B型的σc=2.8 MPa低于洞壁處的切向應(yīng)力，而σcm=13.5 MPa高于切向應(yīng)力，因此洞壁處的巖石會(huì)受壓破碎，但巖體的整體強(qiáng)度是足夠的。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，中隔巖墻頂部的巖體存在著隨洞室向下開(kāi)挖逐漸變得破碎的現(xiàn)象，這是由巖體劣化造成的。由于開(kāi)挖時(shí)未有效控制爆破，巖體受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，估算巖體強(qiáng)度σc=7.6 MPa，σcm=22.3 MPa，而隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，切向應(yīng)力逐漸加強(qiáng)，因此表層巖石逐漸受壓破碎，見(jiàn)圖7。

從上文看出，采用Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則估算的巖體參數(shù)后，數(shù)值計(jì)算得到的圍巖破壞特征與現(xiàn)場(chǎng)情況是吻合的，表明該經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則在低應(yīng)力條件下是可靠的。

4 開(kāi)挖及支護(hù)模擬

4.1 開(kāi)挖模擬與分析

通過(guò)模擬地下洞室群七層開(kāi)挖的施工全過(guò)程，三維數(shù)值計(jì)算獲得了相應(yīng)的圍巖變形、應(yīng)力、塑性區(qū)等分布規(guī)律，見(jiàn)圖8～13。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表

圖4 A型巖石(花崗片麻巖)圖5 B型巖石(花崗片麻巖，黑云母含量較高)

圖6巖石單軸抗壓試驗(yàn)圖7尾調(diào)室中隔巖墻頂部巖體的逐漸劣化現(xiàn)象

圖8三維模型及位移圖圖9三維模型及最大主應(yīng)力圖圖10三維模型及最小主應(yīng)力圖

下文以尾調(diào)室洞軸線剖面為例，分析圍巖的力學(xué)響應(yīng)過(guò)程。尾調(diào)室開(kāi)挖完成后，圍巖變形集中于體型突變處，在中隔巖墻及底部流道處的變形量約8～16 mm，兩側(cè)端墻處約7～10 mm，拱頂處約4～5 mm(圖14)。

根據(jù)地應(yīng)力以水平為主的特點(diǎn)，開(kāi)挖后洞頂及底板為應(yīng)力集中部位，邊墻為應(yīng)力松弛部位。由于地應(yīng)力水平較低及洞頂圓弧輪廓等原因，因此應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，洞周最大主應(yīng)力約為-10～-14 MPa(圖15)。

洞室開(kāi)挖時(shí)，原始應(yīng)力場(chǎng)遭到破壞，引起應(yīng)力場(chǎng)重新調(diào)整。當(dāng)洞室周邊的圍巖強(qiáng)度低于二次應(yīng)力時(shí)，巖體發(fā)生破壞，無(wú)法承受較高的應(yīng)力，促使最大主應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，直至在一定深度處達(dá)到新的應(yīng)力平衡；此時(shí)洞壁附近出現(xiàn)一個(gè)圍巖破壞區(qū)或損傷區(qū)，主要表現(xiàn)為裂隙的擴(kuò)展、貫通及產(chǎn)生新的裂隙，并引起洞室變形。K項(xiàng)目的松弛區(qū)主要表現(xiàn)在中間隔墻、底部流道、兩側(cè)端墻等部位，但未出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力(圖16)。應(yīng)力松弛與圍巖變形較大的位置基本一致，說(shuō)明圍巖變形主要是應(yīng)力松弛導(dǎo)致的。

洞周的塑性區(qū)深度約為2.2～4.5 m，而在中隔巖墻及底部流道處較深，最大值約為5～7 m，這與現(xiàn)場(chǎng)情況是一致的。

綜上，洞室開(kāi)挖造成的二次應(yīng)力、變形、塑性區(qū)深度等均不高，洞室的整體穩(wěn)定性良好，適合建設(shè)地下工程；洞室體型突變及交叉部位的塑性區(qū)深度有明顯增加，在開(kāi)挖過(guò)程中，需要及時(shí)支護(hù)。

4.2 支護(hù)模擬與分析

錨桿、錨索是現(xiàn)代巖石工程最常見(jiàn)的支護(hù)措施。在數(shù)值模擬中，預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索采用施加節(jié)點(diǎn)力的方式模擬；砂漿錨桿錨固的效果與錨桿材料的強(qiáng)度、直徑、長(zhǎng)度以及錨桿布設(shè)的間距與方式有關(guān)，且在工程中錨桿常與噴射混凝土配合使用。因此，錨固效應(yīng)主要是提高了被錨固圍巖的抗剪強(qiáng)度，并提高加錨單元的剛度[18]。通過(guò)大量模型試驗(yàn)，朱維申等[19]提出了巖體抗剪強(qiáng)度的提高與錨桿布設(shè)參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

c1=c0(1+ητS/ab)，φ1=φ0

(6)

式中：c0、φ0、c1和φ1分別為原巖體及錨固巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角；τ和S分別為錨桿材料的抗剪強(qiáng)度及橫截面積；a和b為錨桿的縱、橫向間距；η為綜合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可取2～ 5。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于K項(xiàng)目，可取c1=1. 33c0，φ1=φ0。

K項(xiàng)目各洞室的支護(hù)方式均類(lèi)似，即采用錨桿加噴射混凝土，未設(shè)置錨索。以尾調(diào)室為例，其主要支護(hù)參數(shù)為：全斷面系統(tǒng)支護(hù)，其中錨桿Φ28，L=6.0/8.0 m，間距1.5 m，混凝土噴層厚度15 cm。按設(shè)計(jì)支護(hù)方案的加固深度及處理范圍，采用公式4模擬其支護(hù)效果。圖17～19給出了采取系統(tǒng)支護(hù)后的計(jì)算成果，結(jié)果表明加固效果不明顯，僅體現(xiàn)在位移量略有減小，而這與Barton提出的基于Q系統(tǒng)的支護(hù)建議[20]結(jié)論正好是一致的。

對(duì)于K項(xiàng)目，錨噴支護(hù)的主要作用是對(duì)應(yīng)力松弛較大的部位及局部破碎巖體進(jìn)行支護(hù)。對(duì)于爆破損傷造成表層巖體的劣化，錨噴支護(hù)也是很有效的。考慮到地下洞室群的極端重要性及破壞后果的嚴(yán)重性，把系統(tǒng)支護(hù)作為安全儲(chǔ)備是合適的，在經(jīng)濟(jì)效益上也是值得的。

圖11洞室群縱剖面位移圖(單位：mm)圖12洞室群縱剖面最大主應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖13洞室群縱剖面最小主應(yīng)力圖(單位：MPa)圖14洞軸線斷面位移圖(單位：mm)

圖15洞軸線斷面最大主應(yīng)力圖(單位：MPa)圖16洞軸線斷面最小主應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖17支護(hù)后位移圖(單位：mm)圖18支護(hù)后最大主應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖19 支護(hù)后最小主應(yīng)力圖(單位：MPa)

5 結(jié) 論

(1)K項(xiàng)目的地下洞室群規(guī)模較大，但圍巖條件較好，地應(yīng)力水平中等，適合建設(shè)地下工程。

(2)根據(jù)地質(zhì)條件及洞室尺寸建立三維數(shù)值模型，并模擬分步開(kāi)挖過(guò)程；初始地應(yīng)力采用實(shí)測(cè)值；采用等效方法模擬噴錨系統(tǒng)支護(hù)的效果。

(3)洞室開(kāi)挖造成的二次應(yīng)力、變形、塑性區(qū)深度等均不高，洞室的整體穩(wěn)定性良好。

(4)應(yīng)用Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則獲取巖體參數(shù)，并把數(shù)值計(jì)算成果與現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行比對(duì)，吻合得很好，表明Hoek-Brown方法是實(shí)用及可靠的。

(5)Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則經(jīng)歷了不斷的修正過(guò)程，已經(jīng)從經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則上升到理論體系，并對(duì)巖體參數(shù)的確定方法提出了更高的要求，如何基于工程實(shí)際獲取更加精確的巖體參數(shù)是未來(lái)的研究方向之一。

(6)K項(xiàng)目的工程地質(zhì)條件在東非地區(qū)具有很強(qiáng)的代表性，因此本文的分析方法及結(jié)論具有較高的參考價(jià)值。