王國軍，朱煥春，吳國榮，張 敏

(1.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510635;2.Itasca(武漢)咨詢有限公司，湖北武漢 430205)

既往研究和實踐表明，地下工程開挖以后圍巖潛在的三種典型破壞模式分別為塑性大變形、高應(yīng)力破壞以及塊體失穩(wěn)，其控制因素分別為軟弱的巖性(軟巖)、深埋條件下的高應(yīng)力狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)面。其中塊體失穩(wěn)破壞多出現(xiàn)在硬質(zhì)巖石(變形小)、低應(yīng)力條件(埋深不大)及大跨度開挖條件下，水電站地下廠房基本都選擇在硬質(zhì)巖石條件下，埋深多在300 m以內(nèi)，應(yīng)力水平遠低于巖體峰值強度，廠房較大的開挖跨度(接近30 m)和高度(60～80 m量級)為結(jié)構(gòu)面不利組合塊體不穩(wěn)定提供了條件。

受場地條件限制，工程前期勘察工作中往往只能依賴鉆孔和探洞獲得廠房區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)面(斷層、長大裂隙等)的位置和產(chǎn)狀，這些結(jié)構(gòu)面對圍巖塊體穩(wěn)定的影響程度受到臨空條件，特別是與其他結(jié)構(gòu)面(與隨機節(jié)理)組合特征的影響。由于節(jié)理產(chǎn)狀、位置等分布特征在空間上的變化性，鉆孔和探洞揭露的節(jié)理并不能可靠地延伸到洞室臨空面附近。為此，在過去的研究和實踐過程中，往往采用統(tǒng)計學思想分析和推測節(jié)理切割可能形成的塊體分布，其基本技術(shù)路線是先對鉆孔和探洞揭露的節(jié)理進行統(tǒng)計分析，獲得它們的統(tǒng)計分布特征，然后推廣到三維空間，即生成三維裂隙網(wǎng)絡(luò)，從而獲得隨機節(jié)理(或同時與確定性結(jié)構(gòu)面組合)切割形成的塊體分布，此時的塊體也稱為隨機塊體。

長期以來，很多研究人員致力于洞室圍巖隨機塊體穩(wěn)定分析研究。在中國水電工程界，以塊體理論和DDA分析的影響力相對最大，但由于問題的復雜性和DDA分析的二維屬性，這方面的工程應(yīng)用成果并不多見，也并沒有被工程界普遍接受。在國際上，這類問題多采用三維離散元方法(對應(yīng)的唯一商業(yè)程序為3DEC?? 3DEC v5.0 manual，Itasca Consulting Group，Inc.，2013。)。與DDA相比，此方法不僅能解決三維問題，而且在功能上更完善和更成熟。它不僅可以模擬結(jié)構(gòu)面任意復雜的力學行為(張開、剪切、擠壓)，而且還能模擬塊體的塑性大變形，因此能夠考慮塊體的變形和屈服破壞后的復雜非線性行為。3DEC程序自2004年開始引用到中國水電工程界，先后被應(yīng)用于向家壩、彭水、廣東惠州抽水蓄能電站、白鶴灘等水電工程地下廠房隨機塊體穩(wěn)定性的分析評價，這突破了傳統(tǒng)方法的阻礙。

隨機塊體穩(wěn)定分析存在“隨機”導致的不確定性問題，具體來說，計算結(jié)果可以揭示潛在不穩(wěn)定塊體主要分布區(qū)域(頂拱、上游邊墻、下游邊墻等)和對應(yīng)的控制性優(yōu)勢節(jié)理組，從而能夠在前期工作中很好地滿足系統(tǒng)支護設(shè)計。當工程進入施工期以后，設(shè)計工作關(guān)心的關(guān)鍵問題具有確定性特點，即希望明確了解潛在不穩(wěn)定塊體出現(xiàn)的部位、深度等，以便對這些局部性問題有針對性地優(yōu)化支護方案。

深圳抽水蓄能電站于2013年3月開始廠房中導洞開挖，開挖以后揭露出節(jié)理發(fā)育程度相對較高，因此需要論證設(shè)計的系統(tǒng)支護是否能夠適應(yīng)這些變化，以及需要重點加固的具體部位和支護參數(shù)。為解決這一問題，工程開挖以后決定開展確定性塊體問題的高精度仿真分析，具體是要求采用早期開挖揭露的節(jié)理(真實位置和產(chǎn)狀)，而非采用統(tǒng)計學方法模擬的隨機節(jié)理分析評價當前和后期開挖以后圍巖穩(wěn)定性，并且，隨著開挖進展節(jié)理資料的不斷豐富和更新，分析工作也相應(yīng)地采用符合現(xiàn)場實際的資料，保證數(shù)值模擬關(guān)鍵性原始資料的高精度。

1 圍巖潛在破壞模式分析判斷

1.1 圍巖破壞形式與判斷準則

地下工程圍巖穩(wěn)定性取決于三個方面的因素，即巖體基本條件、布置與結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計、施工方法和順序等，其中后兩個屬于人為因素，根據(jù)巖體基本條件和工程要求的結(jié)構(gòu)與施工設(shè)計，是設(shè)計工作的科學合理性所在，其關(guān)鍵仍然是對巖體基本條件的理解和合理利用。

影響圍巖穩(wěn)定的巖體基本條件包括三個控制性因素，即巖性、結(jié)構(gòu)面、地應(yīng)力，當其中任意一個因素占據(jù)優(yōu)勢性地位時，圍巖潛在問題的性質(zhì)和表現(xiàn)方式就會發(fā)生變化。比如，當巖性軟弱、強度很低時，洞室開挖以后存在塑性大變形、乃至坍塌的風險，此時結(jié)構(gòu)面可以處于非常次要的地位。與之相似，當埋深足夠大以后，即便是硬質(zhì)巖石，沒有任何結(jié)構(gòu)面，圍巖仍然會發(fā)生如巖爆等形式的破壞。當埋深相對較小、地應(yīng)力水平不高時，硬質(zhì)巖石條件下地下工程開挖最常見的問題即為塊體破壞。

以上敘述基于定性宏觀判斷，來源于工程實踐總結(jié)。一些研究人員在總結(jié)這些經(jīng)驗基礎(chǔ)上，提出了一系列的經(jīng)驗性判斷準則。對于巖石自然單軸抗壓強度σc＞120 MPa、最低80 MPa的硬質(zhì)巖石而言，應(yīng)力型破壞風險程度不僅僅取決于最大主應(yīng)力σ1的大小，還與最小主應(yīng)力σ3密切相關(guān)，判斷指標SRF可以寫為:

基于該指標的判斷準則如下:

當上述判斷結(jié)果中應(yīng)力型破壞為中、低風險時，結(jié)構(gòu)面的作用相對突出。反之，當存在高風險時，結(jié)構(gòu)面所起作用存在分化現(xiàn)象，總體上因為結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力水平增高而起到抑制性作用。當某些結(jié)構(gòu)面處于不良受力狀態(tài)時，則很容易產(chǎn)生破壞，但表現(xiàn)形式會有明顯差別，不再是簡單的塊體滑移破壞。很多情況下包含剪切、乃至部分完整巖體的剪斷破壞，因此表現(xiàn)出比較劇烈的破壞形式，可以伴隨巖爆現(xiàn)象，斷裂型巖爆就是這種機制的表現(xiàn)形式。

在硬質(zhì)巖石條件下，當根據(jù)上述準則的判斷結(jié)果為中等及中等以下的高應(yīng)力破壞風險時，需要注意結(jié)構(gòu)面切割塊體風險程度。從宏觀角度看，風險程度主要取決于洞室跨度和結(jié)構(gòu)面間距之間的關(guān)系。當二者之間達到10∶1時，需要注意塊體破壞風險;當該比值達到20∶1時，其風險程度相對較高，具體需要考察結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與開挖面的關(guān)系，即臨空條件。

1.2 廠房圍巖破壞類型判斷［1－2］

深圳抽水蓄能電站地下廠房長167 m、寬24.5 m、高55 m，圍巖呈微風化—新鮮狀巖石，少弱風化狀，地質(zhì)構(gòu)造以陡傾角N40°～50°W小斷層與裂隙為主，構(gòu)造發(fā)育但膠結(jié)多致密，次為EW向、少量N60°～70°E向，這些構(gòu)造與洞軸線N40°E近正交，地下水不發(fā)育，圍巖以Ⅱ類為主，局部Ⅲ類。巖石自然單軸抗壓強度σc=90 ～140 MPa，最大主應(yīng)力 σ1=(11.5 ±0.5)MPa，最小主應(yīng)力 σ3=(6.0 ±0.5)MPa，計算 SRF ＜0.45，顯示應(yīng)力型破壞風險程度低，一般不出現(xiàn)應(yīng)力型破壞，即便在特殊條件下產(chǎn)生這種破壞方式，其程度也相對很弱，以破損為主，不影響圍巖安全和支護設(shè)計。

地下廠房區(qū)巖體除小型斷裂構(gòu)造相對發(fā)育以外，小型節(jié)理亦相對發(fā)育，局部洞段密度較大。巖體質(zhì)量分級成果實際上反映了結(jié)構(gòu)面發(fā)育密度，Ⅱ類圍巖條件下結(jié)構(gòu)面相對不發(fā)育，間距多在1 m以上，局部Ⅲ類圍巖洞段間距不足0.5 m。根據(jù)以上經(jīng)驗性評價準則，由于廠房跨度大，跨度間距比值普遍＞20∶1，塊體穩(wěn)定是普遍性存在的潛在問題，但是否成為現(xiàn)實問題主要取決于結(jié)構(gòu)面切割塊體的臨空條件。

1.3 判斷結(jié)果實踐驗證

電站地下廠房已經(jīng)完成第2層開挖，現(xiàn)場觀察到的現(xiàn)象印證了上述判斷結(jié)果。

(1)結(jié)構(gòu)面起到控制性作用:現(xiàn)場觀察到的最主要的破壞方式為結(jié)構(gòu)面切割的小型塊體破壞，其次是受結(jié)構(gòu)面切割和爆破影響的局部塊體破壞。從現(xiàn)場情況看，小型塊體破壞主要位于上游邊墻巖錨梁部位，下游邊墻上較少，受節(jié)理產(chǎn)狀和臨空條件的影響非常明顯。如圖1所示，上游邊墻巖錨梁部位開挖以后增大了局部臨空面，兩組節(jié)理交切形成的塊體因為完全臨空在開挖過程中即產(chǎn)生了滑移破壞，代表了廠房區(qū)圍巖破壞的基本規(guī)律。廠房圍巖以陡傾節(jié)理發(fā)育，缺少緩傾節(jié)理切割，塊體破壞現(xiàn)場并不普遍，廠房圍巖保持良好的穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)局部出現(xiàn)輕微高應(yīng)力破壞:總體而言廠房開挖以后基本觀察不到高應(yīng)力破壞跡象，僅在第2層開挖以后上游底腳處一些特定部位可以觀察到高應(yīng)力導致的破裂，見圖2。導致這種破壞現(xiàn)象除與局部地質(zhì)條件的變化有關(guān)以外，另一個因素是第2層開挖完成以后斷面形態(tài)，強烈的拐角導致了比正常條件下更強的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖1 第2層開挖完成以后結(jié)構(gòu)面切割小楔形體破壞現(xiàn)象Fig.1 Wedge-shaped breaks of structural surface after excavation of the 2nd layer

圖2 第2層開挖完成以后強烈拐角部位局部應(yīng)力集中現(xiàn)象概化圖(左)與現(xiàn)場觀察到的破壞現(xiàn)象(中、右)Fig.2 Generalized model of the concentrated local stress after excavation of the 2nd layer(left)and the scenes of destruction(middle＆right)

圖2 表示了這些應(yīng)力型破裂現(xiàn)象的發(fā)生條件和形態(tài)，左圖示意性體顯示了第2層開挖完成以后開挖區(qū)剖面形態(tài)和拐角應(yīng)力集中，受最大主應(yīng)力方位影響，應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在上游側(cè)拱腳部位(下游邊墻則位于拱肩)?，F(xiàn)場在幾個部位觀察到了密集的小型破裂，這些破裂均呈新鮮狀、無風化和充填，產(chǎn)狀上與構(gòu)造節(jié)理不一致，且均可以觀察到不同程度的弧形形態(tài)，屬于典型的拐角應(yīng)力集中導致的破裂。

現(xiàn)場注意到這些破裂現(xiàn)象的有條件性，并不是普遍存在，往往與局部條件變化有關(guān)。同時，破裂程度很輕，正常的噴錨支護完全可以應(yīng)對，不影響到支護設(shè)計。

2 塊體穩(wěn)定仿真模擬［3－4］

塊體穩(wěn)定仿真計算是將現(xiàn)場施工編錄獲得的節(jié)理真實位置和產(chǎn)狀信息作為穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)資料，即利用這些信息生成確定性的三維裂隙網(wǎng)絡(luò)，開展塊體穩(wěn)定性計算，見圖3-圖5。

圖3 第1層開挖完成以后節(jié)理編錄結(jié)果(左)和采用3DEC模擬的空間分布(右)Fig.3 Joint recordings(left)and spatial distribution using 3DEC simulation fter excavation of the first layer

圖3 表示上述技術(shù)路線的實際應(yīng)用，左圖為第1層開挖以后地質(zhì)編錄結(jié)果，包括每一條結(jié)構(gòu)面(斷層和節(jié)理)的位置、產(chǎn)狀和出露長度;右圖是采用3DEC模擬結(jié)果，除延伸長度以外，其他所有結(jié)構(gòu)面的信息與編錄結(jié)果相同。計算模型中假設(shè)所有節(jié)理都貫穿廠房整個高程范圍。采用該假設(shè)是因為當時現(xiàn)場開挖高度有限，不能可靠揭示結(jié)構(gòu)面延伸長度，高估延伸范圍是出于工程安全的考慮。

圖4表示該模型計算結(jié)果，計算中模擬廠房分步開挖(未模擬支護)，目的是揭示潛在不穩(wěn)定塊體的分布位置和潛在失穩(wěn)發(fā)生的時機。

計算結(jié)果顯示，即便廠房區(qū)結(jié)構(gòu)面相對發(fā)育，但頂拱穩(wěn)定條件良好。不論是早期開挖(如第1、2步開挖完成)，還是在廠房開挖結(jié)束以后，頂拱均保持良好的穩(wěn)定條件。計算結(jié)果顯示，受結(jié)構(gòu)面傾角普遍較高的影響，潛在的塊體失穩(wěn)風險主要集中在邊墻。受到結(jié)構(gòu)面傾向、塊體臨空條件的影響，廠房上游邊墻塊體破壞風險程度明顯高于下游邊墻，因此，上游邊墻塊體穩(wěn)定特征成為廠房支護設(shè)計的重要依據(jù)。

圖4所示的結(jié)果還表示，上游邊墻潛在不穩(wěn)定塊體主要分布在樁號為0+57～0+80、0+100～0+127之間的兩個區(qū)段范圍內(nèi)，第3步開挖完成以后塊體仍然保持相對較好的穩(wěn)定條件，第4步開挖惡化了塊體臨空條件，塊體穩(wěn)定性也開始發(fā)生變化(降低)。第5步開挖使得潛在不穩(wěn)定塊體完全臨空，塊體變形增量和破壞風險程度發(fā)生顯著變化。由此可見，從保證塊體穩(wěn)定角度，第3步開挖完成以后即需要注意對邊墻的支護，在第4步開挖完成后需要完成邊墻支護才能進行下一層的開挖，且有必要采取強化預(yù)留保護層和控制爆破等措施。

現(xiàn)場施工情況驗證了上述判斷，廠房第2層開挖完成后，上游邊墻巖錨梁部位出現(xiàn)幾處小型破壞塊體，位于樁號0+73～0+114，這段分布有N70°E陡傾角裂隙，傾向外，同仿真計算結(jié)論基本吻合。

圖5表示廠房開挖完成以后1～4機組剖面上變形分布矢量，它清晰揭示上游邊墻變形最突出，其次是下游邊墻，頂拱保持良好穩(wěn)定狀態(tài)的基本規(guī)律。受控制性節(jié)理傾向的影響，上游邊墻塊體為潛在滑移破壞方式，是工程中需要采用錨固手段重點解決的問題。下游則為局部傾倒趨勢，影響深度較小，設(shè)計的系統(tǒng)支護可以有效控制這類問題。

3 認識與結(jié)論

(1)大型水電站地下廠房圍巖穩(wěn)定研究工作一直以來都是電站設(shè)計者關(guān)注的重點，隨著國內(nèi)外研究工作的不斷深入和成熟經(jīng)驗的不斷總結(jié)，對廠房圍巖潛在破壞模式分析、判斷更加準確。深圳抽水蓄能電站的實踐總結(jié)，揭示了基本地質(zhì)條件(巖性、地應(yīng)力、結(jié)構(gòu)面)與潛在破壞方式研究成果的正確性，文中依據(jù)實踐經(jīng)驗總結(jié)的定量判斷準則適應(yīng)于該地下工程實踐。

(2)深圳抽水蓄能電站迄今為止的實踐，揭示了圍巖潛在破壞方式是以結(jié)構(gòu)面切割塊體的穩(wěn)定性起到控制性作用，輕微的應(yīng)力型破壞有條件地出現(xiàn)在局部位置。受最大地應(yīng)力方位影響，應(yīng)力型破裂集中在第2層開挖以后的上游拐角部位，與拐角應(yīng)力集中密切相關(guān)。后續(xù)開挖中的拐角均為90°，大于第2步開挖后的銳角，應(yīng)力破裂應(yīng)顯著減緩或基本不出現(xiàn)。

圖4 根據(jù)真實節(jié)理網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的塊體穩(wěn)定性(上游邊墻)Fig.4 Estimated mass stability on the basis of real joint network(side wall upstream)

圖5 根據(jù)真實節(jié)理網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的塊體穩(wěn)定性(上游邊墻)Fig.5 Estimated mass stability on the basis of real joint network(side wall upstream)

(3)鑒于圍巖以結(jié)構(gòu)面控制塊體穩(wěn)定為主要方式，穩(wěn)定分析評價需要采用基于非連續(xù)力學的分析方法。研究工作顯示，三維離散元程序3DEC可以很好地滿足這類問題研究的需要。采用該程序、按照現(xiàn)場實際編錄確定的結(jié)構(gòu)面信息進行的塊體穩(wěn)定性評價，不僅能可靠地揭示塊體穩(wěn)定的一般特征，而且能可靠地判明潛在不穩(wěn)定塊體的具體位置，為局部加強支護提供更直接的依據(jù)。

(4)采用現(xiàn)場編錄資料開展動態(tài)塊體穩(wěn)定分析在國內(nèi)水電工程建設(shè)中屬于首次，迄今為止的實踐證明這一思路的現(xiàn)實可行性和良好的工程應(yīng)用價值。

［1］ 陳云長，王匯明，廖品忠，等.深圳抽水蓄能電站工程可行性研究報告［R］.廣州:廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，2009.

［2］ 陳云長，王匯明，吳秋芳，等.廣東惠州抽水蓄能電站B廠工程竣工驗收設(shè)計工作報告［R］.廣州:廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，2011.

［3］ 朱永生，朱煥春，孟國濤，等.基于離散單元法的白鶴灘水電站復雜塊體穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學與工程學報，2010，30(10):2068－2075.

［4］ 朱煥春，Andrieux Patrick，鐘輝亞.節(jié)理巖體數(shù)值計算方法及其應(yīng)用(二):工程應(yīng)用［J］.巖石力學與工程學報，2005(1):89.