深埋地下洞室柱狀節(jié)理圍巖變形特征分析

楚文杰 賈聿頡

（1.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310014；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州 450003）

0 引言

白鶴灘地下洞室群廣泛發(fā)育柱狀節(jié)理巖體，柱體大小、長度不盡相同，柱狀節(jié)理將玄武巖切割成六棱柱狀或其他形狀不規(guī)則的棱柱狀，且柱體內(nèi)隱微裂隙發(fā)育，其中第一類柱狀節(jié)理玄武巖具有特有的“柱狀鑲嵌”結(jié)構(gòu)，完整性較差，開挖后容易發(fā)生松弛，對地下洞室圍巖穩(wěn)定性影響較大，因此有必要對其進行研究。

白鶴灘水電站的引水發(fā)電系統(tǒng)共布置8個尾水調(diào)壓室，左右岸各布設(shè)4個，包括尾水調(diào)壓室在內(nèi)的地下廠房洞室群的規(guī)模和數(shù)量均居世界已建、在建水電工程之首。右岸尾水調(diào)壓室軸線為N10°W，自北向南編號為5#~8#，其中8#尾水調(diào)壓室位于右岸山體內(nèi)部，穹頂采用流線型設(shè)計，井身采用圓筒型方案，洞徑48 m，穹頂高程653.50 m，而地表高程為1 120~1 175 m，穹頂?shù)拇怪甭裆罴s500 m，受高地應(yīng)力和構(gòu)造面影響，施工地質(zhì)條件復(fù)雜且難度較大。右岸尾水調(diào)壓室三維布置如圖1所示。

圖1 右岸尾水調(diào)壓室三維布置

白鶴灘現(xiàn)場工程地質(zhì)資料顯示，8#尾水調(diào)壓室穹頂發(fā)育有P2β61層柱狀節(jié)理巖體，由于柱狀節(jié)理巖體屬于高度節(jié)理化巖體，致使巖體各向異性問題顯著，尤其是陡傾角的柱理面使得近水平向的破裂松弛問題更為突出，探究柱狀節(jié)理條件下深埋地下洞室開挖圍巖穩(wěn)定性很有必要。早在1875 年，Robert［1］便對柱狀節(jié)理玄武巖形成機制及特征進行了系統(tǒng)研究。隨后，國內(nèi)外大量的工程實踐和科學(xué)研究總結(jié)歸納了很多富有指導(dǎo)意義的經(jīng)驗和理論。到目前為止，關(guān)于柱狀節(jié)理玄武巖的形成特征及其工程性質(zhì)［2］、破壞模式、破壞機制［3］、巖體變形特性［4］、卸荷損傷［5］、彈性波特性［6］、力學(xué)特性［7-9］、應(yīng)力松弛［10］等方面均已有系統(tǒng)科學(xué)的研究成果。結(jié)合實踐，有學(xué)者提出了白鶴灘水電站巨型地下洞室群關(guān)鍵巖石力學(xué)問題與工程對策［11］，以及在錯動帶和柱狀節(jié)理條件下的大尺寸調(diào)壓井穹頂施工方法［12］，研究了柱狀節(jié)理玄武巖固結(jié)灌漿［13］、帷幕灌漿［14］試驗等。

此外，在研究手段上，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的興起，許多以往現(xiàn)場難以完成的工作可以借助計算機得以實現(xiàn)。相關(guān)學(xué)者在地下洞室（群）圍巖穩(wěn)定性［15-16］、巨型地下洞室脆性圍巖高應(yīng)力破裂防治措施［17］、柱狀節(jié)理巖體爆破開挖［18］、軟弱夾層對深部地下洞室圍巖損傷模式的影響［19］、特大型圓筒式尾水調(diào)壓室穹頂施工通風(fēng)技術(shù)［20］等方面進行了精細(xì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪M，并取得了長足的進展，積累了大量的試驗經(jīng)驗。

本研究結(jié)合施工過程，重點針對在柱狀節(jié)理玄武巖這一特殊地層條件下，通過非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值模擬手段，比較了無支護條件下8#尾調(diào)室穹頂柱狀節(jié)理巖體及完整巖體兩種情況下，尾調(diào)室穹頂圍巖的應(yīng)力分布特征、塑性區(qū)分布特征、位移分布特征、結(jié)構(gòu)面應(yīng)力應(yīng)變分布特征。對兩種情況下可能出現(xiàn)的變形特征進行分析與評價，從而探究右岸8#尾水調(diào)壓室穹頂柱狀節(jié)理巖體在無支護條件下開挖圍巖可能出現(xiàn)的變形特征。

1 基本地質(zhì)條件

根據(jù)勘察和開挖揭示資料，右岸尾調(diào)區(qū)為單斜巖層，巖層總體產(chǎn)狀為N45~50°E，SE∠15~20°，地層巖性主要由P2β33~P2β61層堅硬塊狀玄武巖夾薄層凝灰?guī)r組成。

圖2 8#尾水調(diào)壓室穹頂柱狀節(jié)理面貌

柱狀節(jié)理圍巖呈柱狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，完整性較差。其對洞室的不利影響主要表現(xiàn)在兩方面：①由于微裂隙發(fā)育，易于在應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生破裂擴展，形成解體破壞；②由于柱狀節(jié)理具有明顯的方向性，導(dǎo)致巖體存在顯著的各向異性變形特性。

右岸尾水調(diào)壓室區(qū)主要發(fā)育層間錯動帶C3、C3-1、C4、C5四條，沿凝灰?guī)r層中部或上部發(fā)育，交切各洞室。其中層間帶結(jié)構(gòu)面C4、C5對8#尾水調(diào)壓室穹頂穩(wěn)定作用突出。右岸尾水調(diào)壓室軸線工程地質(zhì)剖面如圖3所示。

圖3 右岸尾水調(diào)壓室軸線工程地質(zhì)剖面

右岸尾調(diào)區(qū)大水平主應(yīng)力的方向為NNE，一般在N0°~20°E 之間，大小為15~24 MPa，實測最大值為30.99 MPa，小水平主應(yīng)力大小為9~14 MPa。

第一主應(yīng)力方向為N0°~20°E，與尾調(diào)軸線方向夾角為10°~30°，傾角為2°~11°，量值為22~26 MPa；第二主應(yīng)力量值為14~18 MPa，方向尾調(diào)軸線方向近垂直；第三主應(yīng)力近垂直，量值為13~16 MPa，與上覆巖體自重應(yīng)力相當(dāng)。

2 數(shù)值模擬計算參數(shù)選取

本研究采用ITASCA 公司的3DEC 三維離散元分析軟件，相較連續(xù)介質(zhì)的有限元方法，該軟件可進行巖體非線性彈塑性及黏彈塑性分析，能夠更好地模擬節(jié)理破碎巖體的力學(xué)行為，符合柱狀節(jié)理巖體的實際變形規(guī)律，可以比較理想地解決巖體介質(zhì)的非連續(xù)問題。

計算采用Mohr-Coulomb 應(yīng)變軟化模型，其參數(shù)利用Hoek-Brown 強度參數(shù)在考慮圍壓效應(yīng)的基礎(chǔ)上經(jīng)過轉(zhuǎn)化得到，結(jié)構(gòu)面采用Coulomb-slip 本構(gòu)模型。還采用非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值分析方法，分別比較了無支護條件下8#尾水調(diào)壓室穹頂柱狀節(jié)理巖體及完整巖體兩種情況下，穹頂圍巖應(yīng)力分布特征、塑性區(qū)分布特征、位移分布特征、層內(nèi)錯動帶應(yīng)力應(yīng)變分布特征等；對8#尾水調(diào)壓室穹頂無支護條件下柱狀節(jié)理影響及完整巖體兩種情況進行分析與評價。8#尾水調(diào)壓室穹頂采用流線型，圓筒直徑為48 m，小穹頂?shù)目缍葹?9 m。右岸8#尾水調(diào)壓室數(shù)值模型如圖4 所示。模型中對穹頂?shù)谝活愔鶢罟?jié)理玄武巖、層間錯動帶結(jié)構(gòu)面C4、C5進行了模擬。圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)值見表1，結(jié)構(gòu)面的參數(shù)見表2。

表1 右岸尾調(diào)室?guī)r體力學(xué)參數(shù)取值

表2 右岸地下洞室層間帶C4、C5力學(xué)參數(shù)取值

圖4 8#尾水調(diào)壓室數(shù)值模型（3DEC）

右岸最大主應(yīng)力方向的局部變化非常明顯，在考慮小型節(jié)理影響的情況下，最大主應(yīng)力方向主要集中在N—S范圍內(nèi)變化。因此，計算中最大主應(yīng)力方向取N—S，水平狀；中間主應(yīng)力為E—W 向，也呈水平狀；最小主應(yīng)力鉛直。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，數(shù)值模擬各主應(yīng)力大小滿足如下關(guān)系，見式（1）。

以上式中：σ1、σ2、σ3分別為最大、中間、最小主應(yīng)力大小，MPa；參數(shù)h為埋深，m。

3 穹頂柱狀節(jié)理圍巖穩(wěn)定性分析

采用非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值分析方法建立模型，并在穹頂各側(cè)圍巖內(nèi)布置監(jiān)測點，模型中主要考慮了尾調(diào)室穹頂?shù)谝活愔鶢罟?jié)理巖體、層間帶C4、C5。其中穹頂發(fā)育于P2β61層柱體結(jié)構(gòu)面直徑取為1.0 m 左右（放大約3~4 倍），柱體縱橫比按照3∶1考慮。建立數(shù)值模型如圖4 所示，監(jiān)測點布置如圖5所示。

圖5 8#尾調(diào)室穹頂圍巖內(nèi)監(jiān)測點布置

計算分析主要圍繞尾水調(diào)壓室穹頂圍巖應(yīng)力分布特征、塑性區(qū)分布特征、位移分布特征、層間錯動帶應(yīng)力應(yīng)變分布特征等幾方面展開，從而說明8#尾水調(diào)壓室穹頂柱狀節(jié)理巖體在無支護條件下開挖圍巖可能會出現(xiàn)破壞。

3.1 應(yīng)力分布特征分析

8#尾水調(diào)壓室穹頂考慮完整巖體與柱狀節(jié)理巖體兩種情況下圍巖開挖W—E（西—東）、N—S（北—南）兩向的最大主應(yīng)力分布特征如圖6、圖7 所示。

圖6 8#尾水調(diào)壓室W—E剖面開挖最大主應(yīng)力分布特征

圖7 8#尾水調(diào)壓室N—S剖面開挖最大主應(yīng)力分布特征

由圖6、圖7 可知，在巖體完整條件下，受白鶴灘右岸廠區(qū)初始最大主應(yīng)力近N—S 向影響，尾水調(diào)壓室開挖完成后，穹頂中心、穹頂W/E 兩側(cè)翼及邊墻為應(yīng)力集中區(qū)域，其中穹頂中心的最大主應(yīng)力值為33~42 MPa；穹頂W/E 兩側(cè)翼及邊墻最大主應(yīng)力值為40~50 MPa，穹頂中心及穹頂W/E 兩側(cè)翼>40 MPa 的高應(yīng)力集中區(qū)易導(dǎo)致局部應(yīng)力型破壞。同時，柱狀節(jié)理巖體的影響致使尾水調(diào)壓室穹頂圍巖應(yīng)力分布特征產(chǎn)生較為明顯變化，柱狀節(jié)理的存在致使尾水調(diào)壓室穹頂開挖面附近圍巖強度降低，淺層圍巖產(chǎn)生屈服；穹頂中心、穹頂W/E 兩側(cè)翼>40 MPa高應(yīng)力集中區(qū)的分布深度略有減小，而應(yīng)力集中區(qū)與開挖面的距離有所增加，穹頂柱狀節(jié)理巖體淺層區(qū)域圍巖產(chǎn)生屈服，局部淺層圍巖易發(fā)生松弛坍塌破壞。

3.2 塑性區(qū)分布特征分析

8#尾水調(diào)壓室穹頂考慮完整巖體與柱狀節(jié)理巖體兩種情況下圍巖開挖W—E、N—S 兩向的塑性區(qū)分布特征如圖8、圖9所示。

圖8 8#尾調(diào)室W—E剖面開挖塑性區(qū)分布特征

圖9 8#尾調(diào)室N—S剖面開挖塑性區(qū)分布特征

計算結(jié)果顯示，受8#尾水調(diào)壓室穹頂開挖體型為流線型的影響，8#尾水調(diào)壓室塑性區(qū)深度不大。圍巖完整條件下，尾水調(diào)壓室穹頂塑性區(qū)深度為1.6~2.4 m（結(jié)合監(jiān)測點監(jiān)測值，下同），邊墻塑性區(qū)深度普遍為3.4~4.8 m。柱狀節(jié)理致使穹頂圍巖塑性區(qū)深度顯著增大；在柱狀節(jié)理影響條件下，穹頂塑性區(qū)深度由1.6~2.4 m 增大至2.5~4.0 m；受層間錯動帶影響，尾水調(diào)壓室N 側(cè)邊墻與層間錯動帶交切位置處的最大塑性區(qū)深度為7.2~8.1 m，該部位塊體穩(wěn)定性較差，在施工開挖過程中應(yīng)注意支護的及時性。層內(nèi)帶距離穹頂開挖面6.5 m，且本身性狀較好，未對塑性區(qū)分布造成顯著影響。

3.3 位移分布特征分析

8#尾水調(diào)壓室穹頂考慮完整巖體與柱狀節(jié)理巖體兩種情況下圍巖開挖W—E、N—S 兩向的最大位移分布特征如圖10、圖11所示。

圖10 8#尾水調(diào)壓室W-E剖面開挖位移分布特征

圖11 8#尾水調(diào)壓室N-S剖面開挖位移分布特征

計算結(jié)果顯示，受白鶴灘右岸廠區(qū)初始最大主應(yīng)力近N—S 向影響，尾調(diào)室開挖完成后，尾調(diào)室穹頂N/S 兩側(cè)翼及邊墻變形值大于穹頂W/E 兩側(cè)翼及邊墻的變形值。巖體完整條件下，尾調(diào)室穹頂?shù)恼w變形值一般為14~32 mm，邊墻變形值一般為30~65 mm，柱狀節(jié)理使得穹頂圍巖變形值顯著增大；柱狀節(jié)理條件下，穹頂圍巖變形值由14~32 mm增大至25~52 mm，其中受柱狀節(jié)理各向異性影響，穹頂S側(cè)翼圍巖變形較大，最大變形值為52 mm；同時，受柱狀節(jié)理各向異性的影響，穹頂N/S 兩側(cè)翼變形值的差異也有所增大。結(jié)合監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析，柱狀節(jié)理使得穹頂圍巖變形值顯著增大，在柱狀節(jié)理條件下，穹頂變形值>15 mm 的松弛變形區(qū)深度由完整巖體的5.0~6.0 m 增大至10.0~11.0 m。

柱狀節(jié)理各向異性與層間錯動帶組合影響，顯著增大了層間錯動帶影響區(qū)域內(nèi)局部巖體的變形值。在巖體完整的條件下，尾水調(diào)壓室S 側(cè)邊墻C5下盤的變形值達80 mm 以上；在柱狀節(jié)理影響條件下，S 側(cè)邊墻C5下盤的變形值增大至98 mm 以上，上室交叉口部位最大變形達105 mm，C5下盤倒懸?guī)r體局部穩(wěn)定問題較為突出。

3.4 結(jié)構(gòu)面應(yīng)力應(yīng)變特征分析

8#尾水調(diào)壓室穹頂考慮完整巖體與柱狀節(jié)理巖體兩種情況下層間帶C5的法向應(yīng)力分布特征與法向位移分布特征，如圖12、圖13 所示。

圖12 層間帶C5的法向應(yīng)力分布特征

圖13 層間帶C5的法向位移分布特征

由圖12、圖13 可以看出，受白鶴灘右岸廠區(qū)初始最大主應(yīng)力近N—S 向及層間帶C5切割位置的影響，層間帶C5的N 側(cè)法向應(yīng)力水平相對較高，無明顯的松弛變形；由于層間帶C5在S 側(cè)切割穹頂側(cè)翼松弛部位，使得層間帶C5下盤的倒懸?guī)r體產(chǎn)生了較大的變形，從而使得C5產(chǎn)生了明顯的松弛變形；柱狀節(jié)理條件使得層間帶C5在N 側(cè)法向應(yīng)力有所減弱，而在S 側(cè)的松弛變形有所增大，柱狀節(jié)理在各向異性影響下，層間帶C5易在上下盤發(fā)生結(jié)構(gòu)面松弛脫開或局部結(jié)構(gòu)面控制型坍塌破壞現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過對8#尾水調(diào)壓室穹頂進行數(shù)值模擬和計算，并對右岸8#尾調(diào)室穹頂無支護條件下開挖圍巖可能出現(xiàn)的破壞特征進行分析，從而說明右岸8#尾調(diào)室穹頂在柱狀節(jié)理巖體條件下開挖圍巖可能出現(xiàn)的變形特征。

①受初始地應(yīng)力影響，8#尾水調(diào)壓室開挖完成后，穹頂中心、穹頂W/E 兩側(cè)翼及邊墻呈現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中水平達40 MPa 以上。柱狀節(jié)理的發(fā)育，致使尾水調(diào)壓室穹頂開挖面附近圍巖強度降低，淺層圍巖產(chǎn)生屈服，穹頂應(yīng)力集中區(qū)的分布深度略有減小，應(yīng)力集中區(qū)與開挖面的距離增大。

②受8#尾水調(diào)壓室穹頂開挖體型為流線型的影響，8#尾水調(diào)壓室塑性區(qū)深度不大，柱狀節(jié)理致使穹頂圍巖塑性區(qū)深度顯著增大。

③受初始最大主應(yīng)力近N—S向影響，尾水調(diào)壓室開挖完成后，穹頂N/S 兩側(cè)翼及邊墻變形值大于穹頂W/E兩側(cè)翼及邊墻的變形值。在柱狀節(jié)理條件下，穹頂圍巖變形值增大，其中受柱狀節(jié)理各向異性影響，穹頂S側(cè)翼圍巖變形較大，穹頂N/S 兩側(cè)翼變形值的差異也有所增大。穹頂變形值>15 mm 的松弛變形區(qū)深度增大，柱狀節(jié)理受各向異性與層間錯動帶組合影響，顯著增大了層間錯動帶影響區(qū)域內(nèi)局部巖體的變形值。

④由結(jié)構(gòu)面長C5法向應(yīng)力應(yīng)變特征分析可知，受初始最大主應(yīng)力近N—S向及層間帶C5切割位置的影響，其N 側(cè)法向應(yīng)力水平相對較高，無明顯的松弛變形；由于層間帶C5在S 側(cè)切割穹頂側(cè)翼松弛部位，使得層間帶C5下盤的倒懸?guī)r體產(chǎn)生了較大的變形，從而使得C5產(chǎn)生了明顯的松弛變形；柱狀節(jié)理條件使得層間帶C5在N 側(cè)法向應(yīng)力有所減弱，而在S側(cè)的松弛變形有所增大。