基于巖體結(jié)構(gòu)面特征的地下水封洞庫軸向優(yōu)化

孫 馳，宋 琨，穆 景 超，梁 佳 佳

(1.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué) 防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002； 3.北京東方新星勘察設(shè)計(jì)有限公司，北京 100070)

中國是一個(gè)石油進(jìn)口大國，正在加快戰(zhàn)略石油儲備基地建設(shè)，并且在未來還會建設(shè)更多的石油儲備基地[1]。地下水封石油儲備庫是現(xiàn)階段國內(nèi)外主要的戰(zhàn)略石油儲備模式[2-4]，相比地面儲油形式，地下水封石油儲備庫具有更安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。地下水封洞庫一般修建于工程地質(zhì)條件較好、巖性以花崗巖、花崗片麻巖等硬質(zhì)巖為主的地區(qū)。在硬巖中開挖修建地下洞室，其穩(wěn)定性問題的關(guān)鍵主要在于由各組結(jié)構(gòu)面和開挖臨空面所形成的不穩(wěn)定塊體[5-6]。這些不穩(wěn)定塊體可能以沿著結(jié)構(gòu)面滑落、直接掉落的方式發(fā)生失穩(wěn)破壞，對地下洞室的穩(wěn)定和工作人員的安全造成嚴(yán)重威脅。因此，在對洞室進(jìn)行安全評價(jià)時(shí)要充分考慮巖體結(jié)構(gòu)面對圍巖穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而優(yōu)化洞室的布置方案。

對地下洞室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，大多數(shù)學(xué)者主要從洞室的軸向[7-8]、斷面[9]和間距[10-11]等方面來對其展開研究。如邱治強(qiáng)等[12]通過結(jié)合FLAC3D三維數(shù)值模擬，研究了屏錦地下實(shí)驗(yàn)室二期8號實(shí)驗(yàn)洞洞室的最優(yōu)間距和布置；徐大寶等[13]采用FLAC3D模擬某地下水封石油洞庫開挖后圍巖特殊點(diǎn)位移和主應(yīng)力分布情況，優(yōu)化其洞室軸向；宋琨等[14]采用基于正交設(shè)計(jì)的數(shù)值方法，優(yōu)化了某地下水封洞室群軸向、埋深、間距?，F(xiàn)有研究多是從洞室圍巖變形角度優(yōu)化地下洞室的空間布置。而對于巖體質(zhì)量較好的地下水封洞庫工程，更要考慮巖體結(jié)構(gòu)面的空間分布對圍巖穩(wěn)定性的影響。

結(jié)合地下水封洞庫的地質(zhì)情況，根據(jù)現(xiàn)場獲取的巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)信息，應(yīng)用塊體理論[15-16]，研究不同軸向下洞室圍巖的塊體穩(wěn)定狀況，從不穩(wěn)定塊體的總體積、支護(hù)力以及不穩(wěn)定塊體數(shù)目3個(gè)方面考慮，對地下水封洞庫的軸向進(jìn)行優(yōu)化，為地下工程中洞室布置軸向的合理選取提供了一些借鑒。

1 工程概況

地下水封洞庫工程擬建場區(qū)屬丘陵地貌，整體地形坡度為10°～15°，最高高程為105.4 m，處于場區(qū)西北部，最小高程為10.5 m，場地較平坦開闊，總體起伏不大。場區(qū)周邊發(fā)育有4條斷層和多條破碎帶(見圖1)。

庫址區(qū)地層巖性以白堊紀(jì)晚期花崗斑巖(K2γπ)、二疊紀(jì)中期二長花崗巖(P2ηγ)為主，其中花崗斑巖在庫址區(qū)西北部地表出露，二長花崗巖在鉆孔大量揭露而地表無出露?；◢彴邘r主要礦物成分為石英、鉀長石、斜長石、黑云母，二長花崗巖主要礦物成分為鉀長石、斜長石、石英、黑云母。

通過對場區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)多處節(jié)理裂隙密集帶發(fā)育，這些規(guī)模較大且密集程度高的結(jié)構(gòu)面會對洞庫建設(shè)產(chǎn)生較大影響。

圖1 場區(qū)工程地質(zhì)平面示意Fig.1 Engineering geological plan of the site

2 巖體結(jié)構(gòu)面特征

2.1 地表節(jié)理統(tǒng)計(jì)

采用測線法對地下水封洞庫場區(qū)內(nèi)花崗斑巖和二長花崗巖兩種巖體地表的節(jié)理進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，并繪制節(jié)理等密度圖。由于庫址區(qū)地表無二長花崗巖出露，測量露頭為庫址周邊的采石場。

由于花崗斑巖和二長花崗巖的形成時(shí)代不同(白堊紀(jì)和二疊紀(jì))，因此對2種巖性的結(jié)構(gòu)面分別統(tǒng)計(jì)分析。地表花崗斑巖的節(jié)理等密度圖(762條節(jié)理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))示于圖2，地表二長花崗巖節(jié)理等密度圖(312條節(jié)理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))示于圖3，其優(yōu)勢節(jié)理產(chǎn)狀數(shù)據(jù)列于表1。

圖2 地表花崗斑巖節(jié)理等密度圖Fig.2 Contour plot of joints of surface granite porphyry

圖3 地表二長花崗巖節(jié)理等密度圖Fig.3 Contour plot of joints of surface monzogranite

表1 地表花崗斑巖和二長花崗巖優(yōu)勢節(jié)理統(tǒng)計(jì)

2.2 地下深部節(jié)理統(tǒng)計(jì)

為獲取場區(qū)內(nèi)深部巖體結(jié)構(gòu)面的信息，在所有鉆孔中應(yīng)用了鉆孔電視成像技術(shù)，并根據(jù)鉆孔成像對地下深部二長花崗巖和花崗斑巖巖體內(nèi)的節(jié)理進(jìn)行識別與解譯[17]，如圖4～5所示。繪制2種巖體的節(jié)理等密度圖，其中深部花崗斑巖節(jié)理等密度圖包括1 635條節(jié)理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，深部二長花崗巖節(jié)理等密度圖包括2 087條節(jié)理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其優(yōu)勢節(jié)理產(chǎn)狀數(shù)據(jù)列于表2。

圖4 深部花崗斑巖結(jié)構(gòu)面識別與節(jié)理等密度圖Fig.4 Joints identification and contour plot of joints of deep granite porphyry

圖5 深部二長花崗巖結(jié)構(gòu)面識別與節(jié)理等密度圖Fig.5 Joints identification and contour plot of joints of deep monzogranite

表2 深部花崗斑巖和二長花崗巖優(yōu)勢節(jié)理統(tǒng)計(jì)

2.3 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的選取

綜合地表結(jié)構(gòu)面精細(xì)調(diào)查和深部鉆孔成像結(jié)構(gòu)面解譯結(jié)果，確定地下水封洞庫區(qū)的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面。主洞室埋置部位(洞頂標(biāo)高-100 m)主要為二長花崗巖和花崗斑巖，其中二長花崗巖占54.1%，花崗斑巖占40.5%，其余為煌斑巖脈。由于洞庫區(qū)主要為陡傾角結(jié)構(gòu)面，鉆孔對揭露該類結(jié)構(gòu)面不利，并且洞庫區(qū)無二長花崗巖出露，因此，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面選取以地表花崗斑巖區(qū)結(jié)果為主，兼顧地表、深部二長花崗巖和深部花崗斑巖統(tǒng)計(jì)結(jié)果。確定的主洞室布置區(qū)的優(yōu)勢節(jié)理統(tǒng)計(jì)信息見表3。本次計(jì)算選取的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為320°∠60°，220°∠70°，280°∠75°，250°∠75°，具體參數(shù)如表4所示。

表3 場地內(nèi)主要優(yōu)勢節(jié)理統(tǒng)計(jì)

表4 巖體結(jié)構(gòu)面主要力學(xué)參數(shù)

3 洞室軸向優(yōu)化

根據(jù)場地的4組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，借助Unwedge軟件，采用塊體理論對洞室圍巖的塊體穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算。Unwedge是Rocscience公司基于塊體理論開發(fā)，在建立洞室三維塊體模型時(shí)需輸入優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)面跡長、洞室軸向以及巖石重度等參數(shù)。

地下水封洞庫主洞室的斷面形狀為直墻圓拱形(見圖6)，斷面寬20 m，高30 m，主洞室長約700 m，洞室圍巖塊體穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.5，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)列于表4。由于Unwedge程序每次僅能計(jì)算3組結(jié)構(gòu)面形成的塊體[18]，則4組優(yōu)勢節(jié)理形成4種不同結(jié)構(gòu)面組合形式。主洞室軸向布置方位為0～180°，按10°間隔，共計(jì)18個(gè)軸向布置方案。因此，4組結(jié)構(gòu)面組合形式，18個(gè)軸向方案，共計(jì)進(jìn)行72次洞室圍巖塊體穩(wěn)定性計(jì)算。

圖6 水封洞庫主洞室斷面Fig.6 Section of the main caverns of underground water-sealed oil storage

3.1 不穩(wěn)定塊體總體積的分析

不穩(wěn)定塊體體積是評價(jià)洞室穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，塊體體積越大，對洞室的穩(wěn)定性越不利，反之則越有利。圖7統(tǒng)計(jì)了不同洞室軸向下4種優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組合生成的不穩(wěn)定塊體體積的總和。從圖7可以看出，不同洞室軸向下，不穩(wěn)定塊體的體積有較大變化。洞室軸向在0°～40°，70°～100°，140°～170°三個(gè)區(qū)間內(nèi)塊體體積較小。其中的最大塊體體積為56.7 m3(軸向100°)，最小塊體體積為46.0 m3(軸向0°)，兩者相差約10.0 m3，整體上相差不大。在其他2個(gè)區(qū)間，塊體體積增大較多，如軸向?yàn)?0°左右，最小塊體體積已經(jīng)達(dá)到了93.0 m3，當(dāng)軸向?yàn)?10°時(shí)，塊體體積最大，為119.0 m3。

上述分析表明：洞室軸向在0°～40°，70°～100°，140°～170°范圍內(nèi)時(shí)，不穩(wěn)定塊體總體積較小且變化幅度不大，對洞室穩(wěn)定影響相對較小，初步選為較優(yōu)軸向布置區(qū)間。

圖7 不同洞室軸向下的不穩(wěn)定塊體總體積Fig.7 The total volume of unstable blocks with different axial directions

3.2 支護(hù)力的分析

在洞室開挖后，需對不穩(wěn)定塊體進(jìn)行合理支護(hù)以期能達(dá)到滿足要求的安全系數(shù)。一般而言，無論采取何種支護(hù)形式，使得塊體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的支護(hù)力越大，支護(hù)難度和經(jīng)濟(jì)成本也將越高。因此，在優(yōu)化洞室軸向時(shí)，在考慮塊體體積大小的同時(shí)，也應(yīng)考慮支護(hù)力這一因素。

為使不穩(wěn)定塊體達(dá)到相應(yīng)安全系數(shù)需在其開挖面上施加一定的法向壓力，該法向壓力即為支護(hù)力。不同洞室軸向的不穩(wěn)定塊體支護(hù)力計(jì)算結(jié)果示于圖8。從圖8可以看出：當(dāng)洞室軸向在0°～70°、160°～170°范圍內(nèi)時(shí)，支護(hù)力的值都較小，低于2.00×103kN；當(dāng)洞室軸向在70°～110°時(shí)，支護(hù)力有明顯增大趨勢，110°時(shí)達(dá)到最大，為3.35×103kN；當(dāng)洞室軸向在110°～170°時(shí)，支護(hù)力呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，在160°～170°范圍支護(hù)力較小，都小于1.90×103kN。

對比圖7和圖8可知：支護(hù)力和塊體體積隨軸向變化的規(guī)律不一致，如在軸向?yàn)?0°～60°和110°～130°區(qū)間時(shí)，不穩(wěn)定塊體體積存在兩個(gè)峰值，而支護(hù)力隨洞室軸向的變化先緩慢增大后減小，在軸向?yàn)?10°時(shí)達(dá)到峰值。洞室軸向在80°～100°、140°～150°區(qū)間時(shí)，其不穩(wěn)定塊體的體積小于洞室軸向50°～60°區(qū)間，但其支護(hù)力卻高于50°～60°區(qū)間。這是因?yàn)橹ёo(hù)力不僅取決于不穩(wěn)定塊體體積，還與不穩(wěn)定塊體的穩(wěn)定性系數(shù)大小有關(guān)。

圖8 不同洞室軸向下的支護(hù)力Fig.8 The supporting force with different axial directions

上述分析表明，洞室軸向在 0°～40°，160°～170°范圍內(nèi)支護(hù)力較小，均小于1.90×103kN。最大支護(hù)力為1.88×103kN(軸向30°)，最小支護(hù)力為1.80×103kN(軸向20°)，兩者僅相差80.00 kN。說明在此范圍支護(hù)力變化幅度小，較為穩(wěn)定。因此，從支護(hù)力角度，考慮較優(yōu)的洞室軸向布置區(qū)間為0°～40°，160°～170°。

3.3 不穩(wěn)定塊體數(shù)目的分析

當(dāng)不穩(wěn)定塊體總體積相同，塊體數(shù)目越少，則需支護(hù)的部位就越少，這樣可以降低支護(hù)所耗費(fèi)的人力物力，進(jìn)而節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，并且洞室圍巖不穩(wěn)定塊體越少，也有利于其整體穩(wěn)定。因此，將不穩(wěn)定塊體數(shù)目作為洞室軸向優(yōu)化的一個(gè)指標(biāo)。一般認(rèn)為，不穩(wěn)定塊體體積小于或等于0.002 m3時(shí)，無需考慮支護(hù)問題[19]。在統(tǒng)計(jì)不穩(wěn)定塊體數(shù)目時(shí)將此體積范圍內(nèi)的塊體剔除，得到如圖9所示的不同洞室軸向下不穩(wěn)定塊體數(shù)目變化。

圖9 不同洞室軸向下的不穩(wěn)定塊體數(shù)目Fig.9 The number of unstable blocks with different axial directions

從圖9可以看出：當(dāng)洞室軸向在0°～50°時(shí)，不穩(wěn)定塊體數(shù)目都為5個(gè)，是所有軸向中不穩(wěn)定塊體數(shù)目最少的。當(dāng)洞室軸向?yàn)?10°時(shí)，不穩(wěn)定塊體數(shù)目最多(為10個(gè))。因此，從不穩(wěn)定塊體數(shù)目角度考慮，較優(yōu)洞室軸向的布置范圍為0°～50°。

3.4 最優(yōu)軸向范圍

將從不穩(wěn)定塊體總體積、支護(hù)力、不穩(wěn)定塊體數(shù)目分析得出的最優(yōu)軸向區(qū)間結(jié)果繪制于圖10。其中不穩(wěn)定塊體體積對應(yīng)的較優(yōu)軸向區(qū)間為0°～40°，70°～100°，140°～170°，支護(hù)力對應(yīng)的較優(yōu)軸向區(qū)間為0°～40°，160°～170°，不穩(wěn)定塊體數(shù)目所對應(yīng)的較優(yōu)軸向區(qū)間為0°～50°。

圖10 最優(yōu)軸向區(qū)間分布(單位：mg/L)Fig.10 Optimal axial distribution interval

3個(gè)區(qū)段重疊部分即為最優(yōu)軸向區(qū)間，即該地下水封洞庫的主洞室最優(yōu)布置軸向范圍為0°～40°，其方位角為NE0°～40°。

4 結(jié) 論

(1) 通過地表和深部電視成像的結(jié)構(gòu)面調(diào)查，確定地下水封石油洞庫區(qū)巖體主要發(fā)育4組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀分別為320°∠60°，220°∠70°，280°∠75°，250°∠75°。

(2) 根據(jù)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面分布特征，采用塊體理論對不同洞室軸向的圍巖塊體穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，并選取不穩(wěn)定塊體總體積、支護(hù)力和不穩(wěn)定塊體數(shù)目等為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行地下水封洞庫軸向優(yōu)化。

(3) 從不穩(wěn)定塊體體積分析得到的較優(yōu)洞室軸向范圍為0°～40°，70°～100°，140°～170°，從支護(hù)力分析得到的較優(yōu)洞室軸向范圍為0°～40°，160°～170°，從不穩(wěn)定塊體數(shù)目分析得到的較優(yōu)洞室軸向范圍為0°～50°，綜合三者最終確定洞室最優(yōu)布置軸向范圍為NE0°～40°。