楚文杰 賈聿頡

（1.浙江華東建設工程有限公司，浙江 杭州 310014；2.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，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，受高地應力和構(gòu)造面影響，施工地質(zhì)條件復雜且難度較大。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研究總結(jié)歸納了很多富有指導意義的經(jīng)驗和理論。到目前為止，關于柱狀節(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］、力學特性［7-9］、應力松弛［10］等方面均已有系統(tǒng)科學的研究成果。結(jié)合實踐，有學者提出了白鶴灘水電站巨型地下洞室群關鍵巖石力學問題與工程對策［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)。相關學者在地下洞室（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)壓室穹頂施工通風技術［20］等方面進行了精細嚴謹?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)面應力應變分布特征。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，小水平主應力大小為9~14 MPa。

第一主應力方向為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；第二主應力量值為14~18 MPa，方向尾調(diào)軸線方向近垂直；第三主應力近垂直，量值為13~16 MPa，與上覆巖體自重應力相當。

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)在考慮圍壓效應的基礎上經(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)錯動帶應力應變分布特征等；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體力學參數(shù)取值

表2 右岸地下洞室層間帶C4、C5力學參數(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，計算中最大主應力方向取N—S，水平狀；中間主應力為E—W 向，也呈水平狀；最小主應力鉛直。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，數(shù)值模擬各主應力大小滿足如下關系，見式（1）。

以上式中：σ1、σ2、σ3分別為最大、中間、最小主應力大小，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、層間錯動帶應力應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剖面開挖最大主應力分布特征

圖7 8#尾水調(diào)壓室N—S剖面開挖最大主應力分布特征

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)翼及邊墻為應力集中區(qū)域，其中穹頂中心的最大主應力值為33~42 MPa；穹頂W/E 兩側(cè)翼及邊墻最大主應力值為40~50 MPa，穹頂中心及穹頂W/E 兩側(cè)翼>40 MPa 的高應力集中區(qū)易導致局部應力型破壞。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高應力集中區(qū)的分布深度略有減小，而應力集中區(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)面應力應變特征分析

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)應力集中，應力集中水平達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，穹頂應力集中區(qū)的分布深度略有減小，應力集中區(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法向應力應變特征分析可知，受初始最大主應力近N—S向及層間帶C5切割位置的影響，其N 側(cè)法向應力水平相對較高，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)法向應力有所減弱，而在S側(cè)的松弛變形有所增大。