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)害教育部重點實驗室,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點實驗室,湖北 宜昌 443002; 3.北京東方新星勘察設(shè)計有限公司,北京 100070)
中國是一個石油進口大國,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)濟等優(yōu)點。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重威脅。因此,在對洞室進行安全評價時要充分考慮巖體結(jié)構(gòu)面對圍巖穩(wěn)定性的影響,進而優(yōu)化洞室的布置方案。
對地下洞室進行優(yōu)化設(shè)計時,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。如邱治強等[12]通過結(jié)合FLAC3D三維數(shù)值模擬,研究了屏錦地下實驗室二期8號實驗洞洞室的最優(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、支護力以及不穩(wěn)定塊體數(shù)目3個方面考慮,對地下水封洞庫的軸向進行優(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。
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)地層巖性以白堊紀晚期花崗斑巖(K2γπ)、二疊紀中期二長花崗巖(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
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)理進行調(diào)查統(tǒng)計,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代不同(白堊紀和二疊紀),因此對2種巖性的結(jié)構(gòu)面分別統(tǒng)計分析。地表花崗斑巖的節(jié)理等密度圖(762條節(jié)理統(tǒng)計數(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
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
綜合地表結(jié)構(gòu)面精細調(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)計結(jié)果。確定的主洞室布置區(qū)的優(yōu)勢節(jié)理統(tǒng)計信息見表3。本次計算選取的優(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
表4 巖體結(jié)構(gòu)面主要力學(xué)參數(shù)
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)定性進行分析計算。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18個軸向布置方案。因此,4組結(jié)構(gòu)面組合形式,18個軸向方案,共計進行72次洞室圍巖塊體穩(wěn)定性計算。
圖6 水封洞庫主洞室斷面Fig.6 Section of the main caverns of underground water-sealed oil storage
不穩(wěn)定塊體體積是評價洞室穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵指標,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個區(qū)間,塊體體積增大較多,如軸向為60°左右,最小塊體體積已經(jīng)達到了93.0 m3,當軸向為110°時,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,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
在洞室開挖后,需對不穩(wěn)定塊體進行合理支護以期能達到滿足要求的安全系數(shù)。一般而言,無論采取何種支護形式,使得塊體達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的支護力越大,支護難度和經(jīng)濟成本也將越高。因此,在優(yōu)化洞室軸向時,在考慮塊體體積大小的同時,也應(yīng)考慮支護力這一因素。
為使不穩(wěn)定塊體達到相應(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力。不同洞室軸向的不穩(wěn)定塊體支護力計算結(jié)果示于圖8。從圖8可以看出:當洞室軸向在0°~70°、160°~170°范圍內(nèi)時,支護力的值都較小,低于2.00×103kN;當洞室軸向在70°~110°時,支護力有明顯增大趨勢,110°時達到最大,為3.35×103kN;當洞室軸向在110°~170°時,支護力呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢,在160°~170°范圍支護力較小,都小于1.90×103kN。
對比圖7和圖8可知:支護力和塊體體積隨軸向變化的規(guī)律不一致,如在軸向為50°~60°和110°~130°區(qū)間時,不穩(wěn)定塊體體積存在兩個峰值,而支護力隨洞室軸向的變化先緩慢增大后減小,在軸向為110°時達到峰值。洞室軸向在80°~100°、140°~150°區(qū)間時,其不穩(wěn)定塊體的體積小于洞室軸向50°~60°區(qū)間,但其支護力卻高于50°~60°區(qū)間。這是因為支護力不僅取決于不穩(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)支護力較小,均小于1.90×103kN。最大支護力為1.88×103kN(軸向30°),最小支護力為1.80×103kN(軸向20°),兩者僅相差80.00 kN。說明在此范圍支護力變化幅度小,較為穩(wěn)定。因此,從支護力角度,考慮較優(yōu)的洞室軸向布置區(qū)間為0°~40°,160°~170°。
當不穩(wěn)定塊體總體積相同,塊體數(shù)目越少,則需支護的部位就越少,這樣可以降低支護所耗費的人力物力,進而節(jié)約經(jīng)濟成本,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)化的一個指標。一般認為,不穩(wěn)定塊體體積小于或等于0.002 m3時,無需考慮支護問題[19]。在統(tǒng)計不穩(wěn)定塊體數(shù)目時將此體積范圍內(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:當洞室軸向在0°~50°時,不穩(wěn)定塊體數(shù)目都為5個,是所有軸向中不穩(wěn)定塊體數(shù)目最少的。當洞室軸向為110°時,不穩(wěn)定塊體數(shù)目最多(為10個)。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°。
將從不穩(wěn)定塊體總體積、支護力、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°。
(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)定性進行分析計算,并選取不穩(wěn)定塊體總體積、支護力和不穩(wěn)定塊體數(shù)目等為評價指標,進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°。