白鶴灘水電站地下廠房層狀節(jié)理巖體變形機(jī)理分析

劉思杰，王 凱

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院， 重慶 410074；2.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

0 引言

近年來我國水電站工程蓬勃發(fā)展，特別是西南地區(qū)，大批水電站項目開工建設(shè)。這些水電站通常建在深山峽谷之中，受地形條件限制，引水發(fā)電系統(tǒng)往往布置在地面以下，具有埋深大、規(guī)模大、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點[1-2]。圍巖變形作為埋深、開挖尺度、應(yīng)力、地質(zhì)條件、開挖方式及強(qiáng)度等各種綜合因素影響的結(jié)果[3-4]，已成為地下廠房安全評價體系關(guān)鍵指標(biāo)之一，是支護(hù)參數(shù)選取的基礎(chǔ)[5-7]。

數(shù)值模擬是地下廠房變形研究的重要方法。CHEN等[8]使用Drucker-Prager準(zhǔn)則對黃河引水工程進(jìn)行了變形分析；孫紅月等[9]采用非線性有限元方法對泰安抽水蓄能電站地下廠房等主要洞室進(jìn)行開挖模擬；Rajinder等[10]使用UDEC重演喜馬拉雅山脈地區(qū)某水電站地下廠房圍巖條件及支護(hù)作用對圍巖變形的影響；于崇等[11]利用UDEC模擬大連地下油庫工程開挖支護(hù)作用，獲得節(jié)理巖體在開挖后的應(yīng)力及位移場。

前人對地下洞室開挖過程中圍巖變形特征及機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，但其方法往往比較單一，監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬不能有機(jī)結(jié)合。微震監(jiān)測作為一種有效的監(jiān)測手段，能夠?qū)r體進(jìn)行三維體監(jiān)測，并通過對微震監(jiān)測儀器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出巖石微破裂的時間、位置、規(guī)模以及發(fā)展趨勢，從而揭示圍巖應(yīng)力及變形演化規(guī)律。由于該技術(shù)可以對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行實時監(jiān)測，近年來在水電行業(yè)運用很廣泛。本文以白鶴灘水電站地下廠房為研究對象，利用開挖階段圍巖微震監(jiān)測的結(jié)果，結(jié)合數(shù)值模擬，深入研究地下洞室層狀節(jié)理巖體變形特征，探討低地應(yīng)力條件下，圍巖破壞的時空特征及機(jī)理，分析和評價地下廠房穩(wěn)定性，為其下階段開挖和支護(hù)提供重要參考。

1 工程概況

白鶴灘水電站為金沙江下游河段第二梯級。電站采用地下廠房布置型式，左右岸引水發(fā)電建筑物均靠河床側(cè)布置，各安裝6臺單機(jī)容量為850 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量10 200 MW。右岸主廠房布置7#～12#機(jī)組，主廠房開挖尺寸為333.00 m×30.50 m(32.50 m)×89.80 m；主變洞位于主廠房下游側(cè)45 m處，開挖尺寸為272.00 m×18.80 m×35.00 m；尾調(diào)室位于主廠房下游側(cè)100 m處，其半圓筒半徑為25.00 m，高度113.50 m，上部由11.20 m×23.00 m閘門廊道相連，三大洞室通過6條母線洞、3條尾水管等構(gòu)成一等大型洞室群結(jié)構(gòu)。

右岸地下廠房廠區(qū)圍巖以Ⅱ、Ⅲ類灰?guī)r、白云巖和石英巖為主，局部分布A類及B類角礫巖[12]，其中837 m高程地質(zhì)剖面見圖1。右岸主廠房巖層產(chǎn)狀變化大，靠江側(cè)及中間段巖層走向為245°～275°，傾向S，傾角70°～85°；山內(nèi)側(cè)巖層走向為285°～310°，傾向NE，傾角60°～75°。主廠房分布有大量層狀節(jié)理，并且?guī)r層走向與廠房軸線夾角從靠江側(cè)往山內(nèi)側(cè)逐漸變大。主廠房靠江側(cè)巖層走向與廠房軸線夾角≤20°，中間段夾角20°～30°，上游邊墻部分≤20°，山內(nèi)側(cè)夾角>30°，典型的層狀節(jié)理巖體及其張開破壞圖2從開挖現(xiàn)場勘探結(jié)果可知，上游層狀節(jié)理比下游更為密集。右岸地下廠房圍巖地應(yīng)力以重力為主：右岸廠房開挖部位實測最大值水平主應(yīng)力為9.7 MPa，集中于5～8 MPa，為低應(yīng)力水平；最大水平主應(yīng)力方向集中在NEE～EW向，側(cè)壓系數(shù)集中在0.5～0.9[13]。

圖1 右岸地下廠房地質(zhì)剖面圖[12]Fig.1 Geological profile of the right bank underground

總體而言，右岸地下廠房三大洞室具有“大跨度、高邊墻、小夾角、陡傾角、中低地應(yīng)力”的工程地質(zhì)特點。在大規(guī)模地下廠房洞室群開挖卸荷作用下，圍巖變形大，層狀節(jié)理巖體易出現(xiàn)開裂、掉塊等破壞現(xiàn)象，給地下廠房施工和運行安全帶來嚴(yán)重的影響，需要深入分析變形特征及機(jī)理。

圖2 典型層狀節(jié)理巖體及其張開破壞[12]Fig.2 Typical layered and jointed rock masses and their corresponding extension damage

2 洞室開挖方式與微震監(jiān)測結(jié)果

2.1 開挖方式

白鶴灘水電站地下洞室群采用分層分步開挖方式，開挖一層支護(hù)一層；主廠房分XI層進(jìn)行開挖，主變室分四層開挖。根據(jù)廠房地質(zhì)條件，選取地質(zhì)條件較差的，具有代表性的7#機(jī)組中心線(樁號：廠橫1+283 m)作為典型斷面進(jìn)行分析。監(jiān)測數(shù)據(jù)截止到2016年3月25日(此時正在進(jìn)行第XI層的開挖)。其中微震監(jiān)測系統(tǒng)是在開挖第Ⅵ層時開始運行。圖3給出了7#機(jī)組(樁號：廠橫1+283.00 m)分層開挖與微震監(jiān)測布置示意圖。

圖3 主廠房分層開挖與監(jiān)測儀器布置示意圖Fig.3 Sketch map of stratified excavation and monitoring instruments layout at the main powerhouse

2.2 微震監(jiān)測

針對白鶴灘水電站右岸地下廠房在爆破開挖過程中巖體的開裂、變形等問題，2015年7月建設(shè)單位引入礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)，6通道單軸加速度傳感器分別安裝在主廠房上游側(cè)中層排水廊道和補(bǔ)氣洞內(nèi)，實現(xiàn)右岸地下廠房微震活動采集。通過對采集信息的處理和分析，獲得微震事件發(fā)生的時間、位置、能量大小等參數(shù)，初步識別和圈定地下廠房風(fēng)險區(qū)域，從而對圍巖變形破壞進(jìn)行評價預(yù)測，右岸地下廠房微震監(jiān)測系統(tǒng)傳感器空間布置見圖4。

圖4 傳感器空間布置Fig.4 Spatial layout of sensors

2015年7月7日～8月30日期間第VI層爆破開挖,巖體內(nèi)部應(yīng)力再次調(diào)整，局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，積聚在巖體內(nèi)的彈性能釋放，圍巖損傷加劇，變形量迅速增大。剔除爆破、背景噪音后，微震采集系統(tǒng)共采集到162個有效微震事件。圖5給出了該段時間微震事件頻次分布及7#機(jī)組上游高程812 m多點位移計M16Y07孔口位移累積圖。通過對白鶴灘地下廠房微震事件頻次分析可知，微震事件平均每天3個，遠(yuǎn)低于同類水電站同期水平，這可能是由于白鶴灘地下廠房圍巖應(yīng)力中等偏低，使得微震事件數(shù)量較少。值得注意的是7月7日～22日微震活動頻繁，其中7月10日微震事件個數(shù)達(dá)到13個。經(jīng)現(xiàn)場勘探，該段時間機(jī)組正在進(jìn)行7#及8#機(jī)組第VI層上半幅以及壓力管道下平段開挖，致使壓力管道出露，7#及8#機(jī)組上游多面臨空，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致巖石發(fā)生微破裂，圍巖變形量增加。7月23日～8月30日主要進(jìn)行支護(hù)工作，微震事件活動頻率具有減弱的現(xiàn)象，變形減緩?？傮w上，微震事件活動頻率能夠很好地反映現(xiàn)場施工強(qiáng)度。

圖5 微震事件數(shù)量隨時間演化規(guī)律及多點位移計M16Y07累積位移圖Fig.5 Temporal evolution laws of MS events and cumulative displacement of multipoint extensometer M16Y07

圖6為該時段微震事件空間分布圖，圓球代表微震事件，球體越大，能量越大；顏色越亮，矩震級越大，該區(qū)域邊墻內(nèi)部巖石破裂情況越嚴(yán)重。從圖6可以看出，微震事件主要分布于7#及8#機(jī)組上游側(cè)距離上游邊墻臨空面35 m以內(nèi)的區(qū)域，高程在815～845 m，呈條帶狀分布。可能是因為7#及8#機(jī)組上游邊墻部位存在大量的層狀節(jié)理，巖體性狀差，開挖損傷嚴(yán)重，集中大量微震事件。

圖6 微震事件空間分布Fig.6 Spatial distribution of MS events

圖7(a)、(b)分別為微震監(jiān)測系統(tǒng)揭示的白鶴灘水電站地下廠房能量云圖、變形云圖，可以看出，能量釋放密度較大及地震變形量較大的區(qū)域均集中于7#及8#機(jī)組上游邊墻高程815～845 m區(qū)域，與圖6微震事件分布區(qū)域一致。這可能與該區(qū)域存在大量小夾角層面(圖1)，在開挖作用下巖體破裂，誘發(fā)大量微震事件并釋放能量有關(guān)。

圖7 地下廠房微震事件表征參數(shù)Fig.7 Comparison of microseismic event parameter characterization of underground powerhouse

微震活動可以很好的反映卸荷開挖對軟弱結(jié)構(gòu)面活化以及地質(zhì)構(gòu)造缺陷的影響。微震監(jiān)測再次表明陡傾角層狀節(jié)理是控制白鶴灘右岸地下廠房開挖變形破壞的重要因素。微震監(jiān)測可以實時監(jiān)測現(xiàn)場施工對地下廠房圍巖的擾動，準(zhǔn)確圈定和識別圍巖內(nèi)部存在的變形破壞風(fēng)險區(qū)，為下階段開挖進(jìn)度及支護(hù)參數(shù)的選取提供一定的參考價值。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

通過對地勘資料的綜合分析，白鶴灘地下廠房7#機(jī)組中心線(樁號：廠橫1+283 m)剖面巖體質(zhì)量可以劃分為III1級；最突出的地質(zhì)特征是存在大量的層狀節(jié)理，傾向下游，傾角大于70°，并且上游節(jié)理密度大于下游層。因此在數(shù)值模擬過程中假設(shè)白鶴灘層狀節(jié)理傾角為75°，上游節(jié)理間距2 m，下游節(jié)理間距4 m。巖體變形塊體模型使用Mohr-Coulomb彈塑性模型，結(jié)構(gòu)面采用Coulomb-Slip模型，模型頂部采用自由邊界，左右和底部邊界定向約束,模型邊界施加現(xiàn)場應(yīng)力測量值反演得到的自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力。表1列出了模型中巖體及節(jié)理面參數(shù)，參數(shù)主要參考了向家菠等的設(shè)計報告[14]。根據(jù)研究區(qū)域的不同，重點細(xì)化主廠房上下游巖體模型，對于主變室圍巖進(jìn)行適當(dāng)粗化，提高計算效率，模型見圖8。為了獲得與實際情況較為一致的變形，在考慮支護(hù)的情況下對7#機(jī)組開挖過程進(jìn)行模擬，獲得應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)分布特征，對地下洞室變形機(jī)理進(jìn)行分析。

表1 巖體和節(jié)理面物理力學(xué)參數(shù)

圖8 7#機(jī)組斷面數(shù)值模型Fig.8 Simulation model of underground powerhouse along the section of 7# unit

3.2 結(jié)果分析

圖9 (a)、(b)、(c)、(d)分別是開挖結(jié)束后的第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力、水平應(yīng)力及豎向應(yīng)力分布圖，從圖9(a)、(b)可以看出，主廠房頂拱及底部由于存在形狀突變，導(dǎo)致應(yīng)力集中，主廠房上下游均出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域。主廠房腰部存在大面積水平應(yīng)力卸荷區(qū)(圖9(a))；豎向應(yīng)力卸荷區(qū)主要出現(xiàn)在頂拱及機(jī)窩底部(圖9(b))，其范圍遠(yuǎn)小于水平應(yīng)力卸荷區(qū)。值得注意的是，主廠房與主變室之間巖柱豎向應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他部位，洞室群效應(yīng)明顯，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)。

圖9 地下廠房開挖后應(yīng)力場分布Fig.9 Stress field of the right bank underground powerhouse after excavation

圖10給出了7#機(jī)組開挖后的塑性區(qū)分布，受大尺寸開挖以及層狀節(jié)理影響，主廠房塑性區(qū)分布具有如下特點：(1) 整體上沿主廠房呈環(huán)狀分布；(2) 上游邊墻810～830 m高程塑性區(qū)擴(kuò)展深度較大，達(dá)30 m左右；(3) 受洞室群效應(yīng)影響，主廠房與主變洞之間的巖柱出現(xiàn)了塑性區(qū)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加對穿錨索，增強(qiáng)圍巖承載能力。

圖10 7#機(jī)組塑性區(qū)分布Fig.10 Plastic zones distribution of the underground powerhouse along the section of unit #7

圖11給出了位移矢量圖，箭頭越長表示位移越大，黑色方框內(nèi)數(shù)字表示該處的位移。經(jīng)過與上一節(jié)位移監(jiān)測結(jié)果的對比得知，數(shù)值計算得到的關(guān)鍵位置處位移符合實際情況。上游邊墻變形大于下游邊墻，與塑性區(qū)、應(yīng)力分布一致。豎直方向，邊墻中部位移較大，高邊墻效應(yīng)明顯。上游邊墻780～790 m高程由于開挖作用使得巖體凸出，變形遠(yuǎn)大于其他部位，需加強(qiáng)支護(hù)。780～840 m高程圍巖在開挖卸荷作用下，變形方向主要沿水平方向指向臨空面，略偏向?qū)訝罟?jié)理面。

圖11 右岸地下廠房位移矢量圖Fig.11 Displacement vector of the right bank underground powerhouse

數(shù)值模擬結(jié)果表明：受層狀節(jié)理密度差異性及高邊墻效應(yīng)影響，在開挖卸荷作用下，白鶴灘水電站右岸地下廠房最大變形出現(xiàn)在上游邊墻中部，與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對應(yīng)良好。在開挖過程中應(yīng)當(dāng)優(yōu)化支護(hù)參數(shù)并及時跟進(jìn)支護(hù)。

4 微震監(jiān)測與數(shù)值模擬對比分析

綜合現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果，給地下廠房變形提供一個全面的認(rèn)識。圖12是右岸地下廠房現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬對比。圖12(a)、(b)為微震事件俯視圖及正視圖，云圖越亮，表示微震事件越密集。從圖12(a)、(b)可以看出，7#及8#機(jī)組上游邊墻810～840 m高程距離臨空面30 m位置微震事件比較密集。圖12(c)為數(shù)值計算得出的位移場分布，7#機(jī)組上游邊墻810～830 m高程位移明顯大于其他位置，現(xiàn)場勘探發(fā)現(xiàn)2015年7月中旬7#機(jī)組上游補(bǔ)氣洞出現(xiàn)了與層狀節(jié)理走向一致的環(huán)向裂縫(圖12(d))，與微震事件集中區(qū)域及數(shù)值模擬結(jié)果匹配良好。綜合現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)果，地下廠房圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。7#及8#機(jī)組中上游腰部陡傾角層狀節(jié)理邊墻圍巖在開挖作用下，裂隙張開，誘發(fā)大量微震事件，變形較大。在地下廠房的開挖過程中，應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注該區(qū)域微變形及微震事件的收斂及異常情況。

圖12 右岸地下廠房現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬對比Fig.12 Results comparison between field monitoring and numerical simulation for the right bank underground powerhouse

5 結(jié)論

本文通過微震監(jiān)測結(jié)果并結(jié)合數(shù)值模擬對白鶴灘水電站右岸地下廠房圍巖變形進(jìn)行綜合分析，探討了右地下廠房層狀節(jié)理巖體在開挖卸荷作用下的圍巖變形特征及機(jī)理，建立了基于微震監(jiān)測資料與數(shù)值模擬結(jié)果結(jié)合的巖體變形綜合分析方法。主要結(jié)論如下：

(1)圍巖變形速率、微震事件活動頻率與施工強(qiáng)度成正相關(guān)。圍巖變形是巖石內(nèi)部破壞的外在顯現(xiàn)；圍巖微破裂是圍巖變形的內(nèi)在機(jī)理。在施工擾動下，圍巖應(yīng)力平衡受到破壞，應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力超過圍巖承受能力時，圍巖發(fā)生破裂行為，微震事件頻率上升，圍巖變形速率增大。位移變形與損傷擴(kuò)展速率均與施工強(qiáng)度及位置具有緊密關(guān)系，第V、VI層開挖時，邊墻由于形成了高邊墻效應(yīng)，位移陡增。

(2)相對下游上游變形更大。上游陡傾層狀節(jié)理巖體節(jié)理比下游密集是導(dǎo)致上游變形比下游大的主要原因。

(3)開挖作用下，主廠房腰部卸荷最為嚴(yán)重，以水平卸荷為主，巖石發(fā)生微破裂，裂隙萌生、擴(kuò)展，最終表現(xiàn)為圍巖腰部變形大于其他位置，以水平位移為主。

通過數(shù)值模擬結(jié)果，可以初步定量揭示變形分布特征與演化過程，為類似工程的圍巖損傷研究提供參考價值。

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