譚 洲 李 彪 殷修宇 吳 楠 李 鵬

（1.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610065；2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開(kāi)發(fā)研究院，四川 成都 610562；3.國(guó)家能源集團(tuán)金沙江旭龍水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 德榮 627950；4.四川大渡河雙江口水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 馬爾康 624099）

0 引 言

水電開(kāi)發(fā)是保障能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵，在向地球深部進(jìn)軍的戰(zhàn)略背景下，我國(guó)西南地區(qū)水電地下工程不斷縱向發(fā)展。深部巖體受開(kāi)挖卸荷強(qiáng)度、地應(yīng)力水平、地質(zhì)構(gòu)造等影響使得圍巖變形破壞機(jī)理十分復(fù)雜，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，巖體的宏觀變形破壞是其破裂損傷漸進(jìn)演化的結(jié)果[1]。地下洞室開(kāi)挖卸荷過(guò)程圍巖受到爆破動(dòng)力荷載、卸荷作用和應(yīng)力重分布的影響，圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生明顯變化，局部區(qū)域應(yīng)力集中和能量聚集超過(guò)圍巖自身強(qiáng)度時(shí)，將導(dǎo)致巖石內(nèi)部新破裂的形成和原破裂的發(fā)展，在臨空面周圍形成一個(gè)損傷區(qū)域。

由于西南地區(qū)特殊的地理環(huán)境，深部巖體大都處在高地應(yīng)力環(huán)境中，在這種環(huán)境下，圍巖受開(kāi)挖卸荷擾動(dòng)，倘若支護(hù)措施不及時(shí)或強(qiáng)度不夠，巖體損傷將會(huì)加劇，導(dǎo)致圍巖EDZ（EDZ指開(kāi)挖擾動(dòng)或損壞區(qū)）進(jìn)一步擴(kuò)展，嚴(yán)重影響地下洞室穩(wěn)定性。如白鶴灘[2]、猴子巖[3]、雙江口[4]等水電站地下廠房，都因巖體損傷問(wèn)題引發(fā)過(guò)嚴(yán)重的圍巖失穩(wěn)破壞，這些破壞的實(shí)質(zhì)是巖體所處復(fù)雜地應(yīng)力環(huán)境和開(kāi)挖卸荷擾動(dòng)聯(lián)合作用引發(fā)的圍巖內(nèi)部微破裂損傷發(fā)育、累積。深埋大型地下洞室群開(kāi)挖卸荷過(guò)程中，由巖體力學(xué)參數(shù)劣化形成的圍巖EDZ，會(huì)直接影響洞室圍巖穩(wěn)定和安全。因此，對(duì)深部地下洞室EDZ的研究成為水電工程領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)各種現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段對(duì)圍巖EDZ進(jìn)行了研究。Sato等[5]在Tono礦區(qū)隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行了包括位移監(jiān)測(cè)、壓水試驗(yàn)等在內(nèi)的多種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，研究表明開(kāi)挖方式是影響圍巖EDZ范圍的重要因素。Falls等[6]利用聲波測(cè)試法研究了在不同應(yīng)力水平影響下的各種開(kāi)挖方式對(duì)洞室圍巖EDZ 的影響特征。Maxwel等[7]利用聲波測(cè)試、地震折射等方法，確定了EDZ的范圍和損傷程度。

對(duì)于圍巖EDZ的研究，除了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)之外，數(shù)值模擬也是最常用的手段。Wang等[8]運(yùn)用RFPA有限元程序，研究了分均質(zhì)性和各向異性對(duì)隧洞EDZ的影響。Shen等[9]采用UDEC離散元方法，研究了節(jié)理間距對(duì)EDZ形狀的影響。嚴(yán)鵬等[10]利用顆粒流程序（PFC）軟件，研究了深埋隧洞爆破開(kāi)挖圍巖損傷特性和機(jī)制。

基于以上認(rèn)識(shí)和研究，本文以國(guó)內(nèi)鮮有的高～極高地應(yīng)力條件下的大渡河雙江口水電站地下廠房為研究對(duì)象，將圍巖EDZ信息嵌入地下廠房三維數(shù)值模型中，計(jì)算分析圍巖損傷對(duì)圍巖變形的影響，實(shí)現(xiàn)考慮圍巖EDZ影響的地下洞室圍巖穩(wěn)定性反饋分析。

1 工程概況

雙江口水電站位于四川省大渡河流域上游，是大渡河流域水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵性工程之一。雙江口水庫(kù)為干流控制性水庫(kù)，壩址處控制流域面積39330km2，水庫(kù)正常蓄水位2500m。堆石壩最大壩高314m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容約28.97億m3，具有年調(diào)節(jié)能力，電站裝機(jī)容量2000MW。

雙江口水電站左岸地下廠房屬于典型高地應(yīng)力深埋地下廠房，3#機(jī)組中心距壩軸線約85m，廠房縱軸線方向?yàn)镹10°W。主廠房最小水平埋深約400m，垂直埋深約320～500m。主機(jī)間、副廠房和安裝間呈“一”字型布置。在SPD9平硐施工中，片幫剝離現(xiàn)象較普遍，隨洞深的不斷增加，主應(yīng)力值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，到達(dá)400m處時(shí)上升至37.82MPa，此階段處于高～極高地應(yīng)力帶。在洞深400m以后，傾角變緩，以水平應(yīng)力占主導(dǎo)，最大主應(yīng)力值介于20～30MPa之間。

2 考慮圍巖EDZ的高地應(yīng)力地下廠房變形反饋分析

2.1 考慮圍巖EDZ的本構(gòu)模型

巖體的彈性模量和泊松比是描述巖體抗變形能力的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，與波速密切相關(guān)。在彈性介質(zhì)中，通過(guò)波速可以計(jì)算出巖體的彈性模量E和泊松比μ。巖體的縱波波速Vp、橫波波速Vs與彈性模量E、密度ρ和泊松比μ之間有如下關(guān)系：

由于橫波不能在液體中傳播，容易產(chǎn)生測(cè)試誤差，所以，在巖體力學(xué)中，一般采用縱波波速來(lái)建立與彈性模量之間的關(guān)系。

而工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)巖體的泊松比相對(duì)穩(wěn)定，可以視為定值。所以將，則有：

因此，通過(guò)式1～5，可以將測(cè)得的圍巖不同部位波速轉(zhuǎn)化為彈性模量，并依據(jù)該彈性模量在數(shù)值模型中進(jìn)行強(qiáng)度折減。

2.2 考慮圍巖EDZ的地下廠房數(shù)值模型

雙江口水電站地下廠房布置在左岸400～600m山體內(nèi)，廠房總長(zhǎng)度219.48m，頂拱高程2269.47m。對(duì)地下廠房有影響的小斷層發(fā)育兩條：SPD9-f1、SPD9-f2，在副廠房區(qū)域有煌斑巖脈出露。以廠房為中心選取600m×385m的區(qū)域作為模型的計(jì)算區(qū)域，模型最大高度為850m。模型所處的圍巖等級(jí)分為Ⅲ～Ⅴ級(jí)，其中主要為Ⅲa級(jí)，且考慮了斷層SPD9-f1、SPD9-f2、煌斑巖脈等軟弱破碎帶的影響。

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的圍巖聲波數(shù)據(jù)，利用公式（1～5）確定松弛范圍內(nèi)巖體劣化程度并在FLAC3D計(jì)算時(shí)劣化對(duì)應(yīng)范圍的巖體參數(shù)。達(dá)到地下廠房模型嵌入圍巖EDZ 的目的，廠區(qū)整體模型如圖1所示，其中的主廠房和嵌入的圍巖EDZ模型如圖2所示。

圖1 廠區(qū)整體三維數(shù)值模型

圖2 地下廠房數(shù)值模型

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

由于雙江口水電站地下廠房（廠橫）0+120.00m斷面附近有煌斑巖脈出露，附近開(kāi)挖位移和應(yīng)力較大，利于數(shù)值計(jì)算和對(duì)比研究，因此本文選取該典型斷面進(jìn)行研究。通過(guò)考慮圍巖EDZ影響的地下廠房模型模擬廠房一層開(kāi)挖，并結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，設(shè)置“考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”和“未考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”兩組情況進(jìn)行對(duì)照，并在廠房一層拱頂和上、下游拱腳巖體10m范圍內(nèi)，每隔0.2m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（如圖3）?；谟?jì)算后圍巖的位移和應(yīng)力結(jié)果，揭示地下廠房圍巖損傷對(duì)圍巖的影響。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖4給出了“考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”和“未考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”兩組情況下地下廠房一層模擬開(kāi)挖后的位移特征，并通過(guò)設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)得出了兩種情況下的一層開(kāi)挖拱頂和上、下游拱腳孔口的計(jì)算位移（見(jiàn)表1）。

表1 兩組情況廠房第一層開(kāi)挖典型部位孔口位移值

圖4 兩組情況廠房第一層開(kāi)挖位移特征

從圖4中可以看出，不論是否考慮了圍巖EDZ的影響，主廠房下游區(qū)域均出現(xiàn)明顯的深部圍巖變形，并且圍巖的變形特征相同。從表1中可以看出在“未考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”情況下的位移最大的部位是下游拱腳，為10.32mm，其次是拱頂，位移值為9.47mm，最后是上游拱腳，位移值為7.66mm。而在“考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”情況下的拱頂、上游拱腳位移比“未考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”的情況增長(zhǎng)了3mm左右，且在“考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”情況下下游拱腳位移增長(zhǎng)更加明顯，比“未考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”的情況增長(zhǎng)了7mm左右?？梢钥闯?，當(dāng)考慮了圍巖開(kāi)挖的損傷效應(yīng)情況，廠房開(kāi)挖后圍巖的最大位移值也隨之增加，但發(fā)生最大位移的部位沒(méi)有明顯的改變，并且由于不良地質(zhì)的影響，考慮圍巖開(kāi)挖的損傷效應(yīng)會(huì)使變形更大的部位損傷加劇。

圖5給出了“考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”和“未考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”兩組情況下廠房一層模擬開(kāi)挖后的應(yīng)力特征，同樣通過(guò)設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)得出了兩種情況下拱頂和上、下游拱腳孔口的計(jì)算應(yīng)力（見(jiàn)表2）。

表2 兩組情況廠房第一層開(kāi)挖典型部位孔口應(yīng)力值

圖5 兩組情況主廠房第一層開(kāi)挖應(yīng)力特征

從圖5中可以看出，洞室整體應(yīng)力水平較高，兩組計(jì)算結(jié)果所表現(xiàn)出來(lái)的應(yīng)力特征同圍巖的變形特征一致。從表2中可以看出，在“未考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”情況下下游拱腳的計(jì)算應(yīng)力為4.65MPa，是應(yīng)力集中最大的區(qū)域，拱頂?shù)挠?jì)算應(yīng)力為3.42MPa，上游拱腳的計(jì)算應(yīng)力為2.01MPa。而在“考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”的情況下的拱頂、上游拱腳位移比“未考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”的情況增長(zhǎng)了1MPa左右，且在“考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”情況下下游拱腳位移比“未考慮圍巖EDZ影響的數(shù)值模型”的情況增長(zhǎng)了2.5MPa左右?？梢钥闯?，當(dāng)考慮了圍巖開(kāi)挖的損傷效應(yīng)情況，廠房開(kāi)挖后圍巖的最大應(yīng)力值同樣會(huì)隨之增加，發(fā)生最大位移的部位也沒(méi)有明顯的改變，并且由于不良地質(zhì)的影響，考慮圍巖開(kāi)挖的損傷效應(yīng)會(huì)使應(yīng)力集中的部位損傷加劇。

綜上可知，地下洞室開(kāi)挖卸荷引發(fā)的圍巖EDZ可能會(huì)引起淺層圍巖較大程度的損傷，造成巖體力學(xué)性能降低，從而導(dǎo)致圍巖較大幅度的變形增長(zhǎng)，影響洞室施工與運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，工程建設(shè)過(guò)程中，需嚴(yán)格防控洞室開(kāi)挖卸荷所造成的圍巖損傷，及時(shí)采取加固措施，避免圍巖損傷導(dǎo)致的外觀變形持續(xù)增長(zhǎng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以國(guó)內(nèi)鮮有高地應(yīng)力條件下的雙江口水電站地下廠房為研究對(duì)象，基于圈定的圍巖EDZ以及EDZ范圍內(nèi)巖體參數(shù)的劣化尺度，在數(shù)值模擬中進(jìn)行了在考慮圍巖EDZ影響的高地應(yīng)力地下廠房圍巖變形反饋分析。主要結(jié)論如下：

開(kāi)展考慮圍巖EDZ影響的高地應(yīng)力地下廠房變形反饋分析，基于圈定的圍巖EDZ以及EDZ巖體參數(shù)劣化尺度，將EDZ影響考慮進(jìn)數(shù)值模型中進(jìn)行定量研究，設(shè)置考慮圍巖EDZ影響和未考慮圍巖EDZ影響兩個(gè)對(duì)照組。計(jì)算結(jié)果表明受煌斑巖脈的影響下兩組情況所表現(xiàn)出的位移和應(yīng)力特征基本一致，即廠房下游圍巖損傷比上游更嚴(yán)重，而對(duì)比未考慮圍巖EDZ 影響的情況，考慮了圍巖EDZ影響的數(shù)值模型在計(jì)算后位移和應(yīng)力更為顯著，并且考慮了圍巖EDZ影響會(huì)使原本損傷嚴(yán)重的部位損傷進(jìn)一步加劇。