白鶴灘水電站地下廠房錯動帶圍巖穩定性控制方法研究

朱永生， 褚衛江， 萬祥兵， 歐陽秋平， 何 煒， 王鵬飛

(1. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司， 浙江 杭州 311122； 2. 浙江中科依泰斯卡巖石工程研發有限公司， 浙江 杭州 311122； 3. 中國三峽建設管理有限公司， 北京 610042)

0 引言

白鶴灘水電站是我國繼長江三峽和溪洛渡水電站之后又一千萬kW級巨型水電工程，擁有世界最大規模的地下廠房洞室群。

白鶴灘水電站地質條件復雜，在施工過程中普遍揭露了脆性巖體的高應力破壞、軟弱錯動帶導致的深層變形及柱狀節理玄武巖的破裂松弛3類典型巖石力學問題[1]。一般情況下，若洞室群結構形態及布置方案既定，則包括巖體質量及區域地應力特征在內的基本地質條件決定了洞室群圍巖變形穩定性的總體格局。然而，白鶴灘水電站壩址區發育有多條普遍揭露于洞室群結構不同部位的大型錯動帶(屬Ⅱ級結構面)，其導致以具有大跨度、高邊墻結構特征的主廠房的圍巖穩定性問題尤為突出，甚至影響主廠房的整體成洞條件。因此，錯動帶影響與控制成為決定白鶴灘水電站大型地下廠房工程建設成敗的關鍵問題之一。

錯動帶普遍性存在,給世界上許多工程帶來了巖體穩定性問題和地質災害。在水利水電工程界，錯動帶力學特性及工程影響相關研究并不鮮見，如溪洛渡、二灘、拉西瓦等一些重大的水電工程，都揭露了錯動帶的不利影響[2]。

樊啟祥等[3]指出，玄武巖層間和層內錯動帶所造成的巖體固有非連續性和各向異性是溪洛渡地下巖體工程實踐中的主要問題。柴波等[4]研究了蓄水期三峽庫區巴東新城區庫岸滑坡在軟弱帶條件下的變形特征。依托白鶴灘水電站工程，國內學者結合試驗、理論研究及數值分析等方法對錯動帶力學特性和工程影響開展了大量研究。徐鼎平[5]研究了白鶴灘水電站錯動帶剪切特性及其對洞室群整體穩定性的影響。魯燕兒等[6]采用Beta概率密度函數分析了白鶴灘水電站31組錯動帶剪切強度參數(即黏聚力和摩擦因數)的分布規律。文獻[7-8]結合現場地質資料、監測數據及勘探認識，利用離散單元法，研究了白鶴灘水電站壩址區邊坡地應力分布特點及邊坡穩定性，認為陡傾斷層和錯動帶是影響邊坡穩定性的控制性因素。

總體而言，現有錯動帶研究內容多以力學特性為主，而對工程影響機制的認識有待深入。本文以白鶴灘廠房基本條件為背景，結合現場圍巖破壞現象、監測數據和數值模擬反饋分析等，考察錯動帶對圍巖變形破壞的作用機制，據此提出針對性控制措施并評價其有效性。

1 廠房區基本條件

白鶴灘水電站為長江干流金沙江下游4個水電梯級的第2個梯級，總裝機1 600萬 kW，是目前在建的最大水電站，建成后將成為世界第2大水電站[9]。地下廠房分別布置在河流兩岸山體內，每座廠房各裝8臺、累計16臺發電機組。洞室群主體包括主廠房、主變洞、尾水閘門井、尾調室等建筑結構，其中左、右岸廠房尺寸相同，結構尺寸為438 m×34 m×86.7 m(長×寬×高)。地下洞室群布置及主要錯動帶展布形態如圖1所示。

(b) 右岸

白鶴灘水電站左、右岸地下洞室群區域為單斜巖層(傾向右岸)，巖性以P2β2—P2β6微晶、隱晶質玄武巖為主，斑狀、杏仁狀玄武巖次之，其余為玄武質角礫熔巖和凝灰巖。巖體多為微風化或新鮮狀態，除層間錯動帶等構造影響部位局部為Ⅳ類圍巖外，其他洞段都為Ⅱ、Ⅲ1和Ⅲ2類圍巖，且以Ⅲ1類圍巖比例(70%～90%)最高，巖體完整性較好。

將玄武巖每個火山噴發旋回劃分為1個地層單位，不同巖性間的地質界面受后期構造運動作用可能出現錯動現象，地質上稱之為層內錯動帶，間隔一般為數m。由于頂板凝灰巖相對軟弱，一些噴發旋回的界面可以形成規模較大、性狀不良的錯動現象，稱之為層間錯動帶。白鶴灘水電站地下洞室群區域發育有規模等級較大、性質較差的層間錯動帶C2、C3、C4和C5。其中，C2與C3分別揭露于左、右岸廠房邊墻，C4在右岸廠房小樁號頂拱部位得以揭露。層間剪切帶平緩的產狀和不良的性狀成為維持主廠房圍巖穩定需要關注的重點因素。

因構造運動強烈，高地應力是西部水電建設的基本環境條件。白鶴灘水電站地下洞室群屬中—深埋條件(左、右岸廠房垂直埋深分別達到260～330 m、420～540 m)。經大量現場地應力測試及綜合分析表明，左、右岸地下洞室群初始最大地應力分別為19～23 MPa和22～26 MPa，最大主應力方向總體接近水平，且應力比(最大和最小主應力之比σ1/σ3)較高，普遍達到2.0。同時，包括剪切帶在內的大型構造為局部地應力改造作用提供了條件，導致地應力局部異常、測試結果具有明顯的分散性。其中，尤以揭露于右岸廠房頂拱部位的錯動帶C4的影響最為突出，該錯動帶導致其影響帶應力水平和應力比均得以提高。在右岸洞室群勘探平硐掘進過程中，“V”形片幫破壞現象在C4應力異常區域表現強烈，破壞形態具有“窄”且“深”的特點，是高應力水平與高應力比綜合作用的結果[10]。

2 圍巖破壞現象與錯動帶影響

考察圍巖開挖應力分布特征，幫助認識巖體潛在破壞類型及巖石力學機制[9]。由于白鶴灘水電站地下洞室以近水平構造應力(σHmax>σHmin>σV)占主導，地下洞室頂拱圍巖因此成為出現應力集中的重點部位，而邊墻則因強烈的應力釋放作用產生明顯松弛。應力響應方式的不同，可以使地下廠房不同部位破壞方式形成本質差異。

2.1 應力型破壞

室內聲發射試驗表明，白鶴灘玄武巖脆性特性顯著，且起裂強度僅處于約為40 MPa的較低水平。然而，主廠房頂拱開挖二次主應力(最大主應力σ1)集中水平可達50 MPa，導致頂拱層圍巖產生了較為顯著的破裂破壞。左岸地下廠房頂拱圍巖在施工期揭露的高應力片幫破壞現象和采用數值分析方法獲得的反饋分析結果如圖2所示，數值分析解譯的破壞機制與現場破壞現象及特點基本一致。

圖2 高應力破壞的現場表現及力學解譯

片幫是在中國西部深埋地下工程建設中較為典型的高應力破壞形式，如雅礱江流域大理巖地層中的錦屏一級地下廠房和錦屏二級深埋引水隧洞工程[11]。后者埋深條件遠高于白鶴灘地下洞室群工程，但若排除構造引起的斷裂型高應力破壞[11]，其大理巖中片幫破壞現象的普遍性和劇烈程度卻并不如白鶴灘地下工程。白鶴灘地下工程除具有高應力比應力環境外，巖石脆性特性的顯著差異也是導致這一區別的重要原因。如圖3(a)所示，在0～40 MPa室內試驗圍壓情況下，錦屏白山組大理巖的脆性條件因圍壓增加而明顯衰弱，呈典型的脆—延—塑轉換特性[12]。與此顯著不同的是，白鶴灘玄武巖脆性性質強烈，且尤以右岸地下廠房圍巖主要構成巖性——隱晶質玄武巖最為突出。參考圖3(b)，室內隱晶質玄武巖試樣在加載達到峰值后，多會突發強烈的脆性崩解破壞，應力-應變曲線從而直接跌落至底部或因試樣破壞導致傳感器崩落而造成數據丟失，很難出現完整的峰后段，且其脆性條件在40 MPa工程圍壓范圍內幾乎不會因圍壓變化而改變，具有顯著的剪脹特性[13]。除較高的初始地應力水平外，白鶴灘廠房圍巖還具有易于形成高應力破壞的物質條件。

2.2 應力型松弛破壞

構造應力狀態和地下廠房軸線布置方案等基本因素決定了圍巖應力分布及其穩定性。以此為前提，維持圍巖穩定性還應特別考慮三維空間維度內的開挖方案設計。大型地下廠房規模巨大，多采用分區、分部開挖方法進行施工。其優點主要在于可靈活調整開挖部位和開挖量，降低開挖對圍巖的擾動程度或疊加效應；而不利影響則是使得圍巖應力路徑及其決定的圍巖破壞機制復雜化。

由于廠房拱頂首先得以開挖形成，其中的圍巖因高應力集中作用導致屈服破壞。邊墻圍巖應力則因為底板拐角部位結構效應作用經歷先集中后卸荷松弛的復雜過程，因此，其破壞機制也不同于常規應力型或單純的松弛型破壞，如圖4所示。白鶴灘地下廠房分部開挖兩側拐角部位圍巖可在上部開挖過程中先形成應力集中，然后在廠房開挖高程進一步下臥過程中因強烈的應力釋放作用而形成應力型松弛變形破壞。

(a) 錦屏白山組大理巖

(b) 白鶴灘隱晶質玄武巖

(a) 現場表現

(b) 力學解釋

采用平面應變模型對廠房開挖進行數值模擬分析，見圖5。圖5概化描述了典型部位圍巖應力路徑一般性演變過程的特點，可幫助進一步認識應力型、應力型松弛和單一松弛型這3種典型破壞形式的應力機制及其差異。

開挖過程中，頂拱部位依次經歷破裂損傷直至屈服破壞的應力集中作用過程，隨后，其應力水平因巖體強度降低及應力集中區向深部遷移而降低。邊墻部位也因拐角結構效應具有形成應力集中的條件，且可因應力水平超過巖體起裂強度甚至達到屈服條件而產生破裂損傷。隨開挖底板落底使得該部位邊墻處于臨空(圍壓解除)，其應力又得以快速釋放，在高應力破裂及與洞軸線小角度相交的原生陡傾結構面的組合作用下，高邊墻部位巖體進而演變為單一松弛型變形破壞問題。與應力型松弛破壞不同，單一松弛型破壞的基本特點是無應力集中導致巖石破裂的作用過程，現實中巖體破壞主要因結構面張開、錯動導致形成變形失穩風險。

廠房頂拱圍巖高應力破壞本質是來自于應力水平與巖石材料非線性力學特征矛盾作用的結果，而邊墻應力型松弛變形破壞則是在高應力致裂作用基礎上進一步綜合了強烈的應力釋放效應及其結構面條件的影響。

圖5 典型巖體破壞的開挖應力路徑

2.3 錯動帶影響

錯動帶對白鶴灘水電站地下廠房的直接影響是破壞了圍巖的完整性；其次，錯動帶是巖石向土轉化的中間產物[14]，其物理力學性狀較差，強度條件介于巖體和土之間；此外，因構造活動作用，諸如錯動帶C4在漫長地質演化過程中還在其附近一定范圍內形成局部影響帶，現場表現出較為突出的高應力異常現象。總體而言，錯動帶自身具有的幾何不連續性、較差的強度條件及其導致的應力異常環境，是其對廠房圍巖穩定性產生不利影響的主要作用條件。

主要錯動帶C2、C4分別呈緩傾狀，揭露于左、右岸地下廠房的邊墻與拱頂部位，走向與廠房軸線均呈小角度相交。構造應力環境、巖體質量、洞室布置方向與結構形態決定了廠房圍巖穩定特征的總體格局。這一整體格局可以因錯動帶揭露與作用而得到改變，且錯動帶的影響作用機制與其揭露位置密切相關，如圖6所示。

(a) 無錯動帶 (b) 錯動帶影響

左岸廠房在落底開挖過程中，邊墻逐步臨空、圍巖應力松弛，形成應力型松弛變形。同時，邊墻部位在豎直方向得以逐步揭露的緩傾錯動帶C2因性狀軟弱，在卸荷條件下易產生非連續錯動變形，反過來進一步加劇了邊墻圍巖的應力松弛程度及其變形破壞風險。且C2在下游側邊墻部位緩傾向開挖面內，該側邊墻、C2上盤圍巖的應力松弛程度較上游側邊墻的更為突出。總體而言，在C2參與作用條件下，卸荷松弛是邊墻圍巖在開挖過程中的主要響應方式，高應力作用起相對次要作用。此外，由于與主廠房整體呈緩傾交切關系，C2對邊墻變形穩定的影響與其揭露范圍密切相關。現場監測成果表明，C2錯動變形水平和范圍具有隨開挖揭露范圍增大而持續增加的基本特點。

錯動帶C4緩傾揭露于右岸地下廠房小樁號頂拱部位，在廠房第Ⅶ層開挖過程中，錯動帶影響洞段在頂拱部位出現破裂鼓脹變形破壞，且其中的錨索荷載突增，如圖7所示。究其原因，盡管C4破壞了頂拱圍巖的整體性，但由于頂拱層拱效應特征明顯，依然具備形成應力疊加的結構性條件[15]。在落底開挖過程中，頂拱應力集中區向深部遷移，當其與C4應力異常帶形成高應力疊加作用時，可加劇圍巖的高應力破壞風險甚至導致破壞現象的發生。因此，在拱效應、高應力因素綜合作用下，C4揭露部位圍巖的破壞形式有異于常規低應力環境下的重力驅動型塊體破壞形式。

圖7 錯動帶C4導致廠房頂拱層破裂鼓脹破壞

以經合理性論證的基本地質條件作為條件，采用數值方法對錯動帶影響條件下的左、右岸廠房開挖進行模擬分析，定性驗證和量化錯動帶的影響機制和程度，計算結果如圖8所示。經分析可知，當廠房開挖完成后，在左岸廠房下游側邊墻圍巖淺層，沿C2形成的剪切錯動變形普遍達到50～80 mm，局部大于90 mm，且錯動帶變形影響范圍突出，深部錯動變形亦可達到40～50 mm；C2以傾向圍巖內部的方式交切于上游側邊墻，該交切關系決定了C2錯動變形程度相對較小，對圍巖變形穩定的影響程度不如揭露于下游側邊墻時的情形。由于C4存在應力異常，當揭露于右岸頂拱層時，可在其影響部位與開挖二次應力形成疊加效應，加劇圍巖高應力破壞風險和程度。

(a) 錯動變形

(b) 應力

2.4 工程意義

在白鶴灘左、右岸地下廠房開挖過程中，錯動帶C2、C4分別以產生非連續錯動變形及應力疊加作用的方式加劇左岸廠房高邊墻圍巖的應力松弛變形破壞風險和右岸廠房頂拱層圍巖的高應力破壞風險。對這些不利影響進行有效控制，是決定白鶴灘水電站地下廠房建設成敗的關鍵。

在洞軸線布置及結構方案既定的前提下，在巖石力學層面應依據不同部位巖體基本破壞機制和地質缺陷對其影響特點制定針對性控制措施和開挖方案，以期降低錯動帶的不利作用、維持圍巖穩定性。

3 工程措施

在戰略層面，白鶴灘水電站地下廠房工程總體遵循地下工程普遍采用的“系統噴錨支護為主，局部加強或輔以鋼筋混凝土襯砌”及“立體多層次、平面多工序”的基本支護設計與施工原則。施工原則總體借鑒了國內大型水電工程建設經驗。在系統支護設計基礎上，依據邊墻和頂拱部位圍巖開挖力學響應機制和錯動帶C2、C4影響特點，采取針對性組合控制措施，充分體現白鶴灘地下工程的自身特點，本章進一步對此作重點介紹。

3.1 錯動帶C2不連續變形組合控制

依據左岸邊墻圍巖在主廠房開挖過程中的基本力學響應機制(應力松弛)和錯動帶C2非連續變形及作用特點，創新地采用不連續變形組合控制技術，其構成及技術特點包括：

1)深部變形控制措施。由主洞+支洞聯合抗剪的預置換加強鋼筋混凝土結構(置換洞主洞尺寸為6 m×6 m)和追蹤錯動帶走向的上下盤巖體深層錨索構成，如圖9所示。其中，錨索布置應根據置換洞實際開挖坡度確定。置換洞與沿其軸向及上下布置的分散型預應力錨索形成聯合承載系統，前者為抑制剪切帶錯動變形提供被動型抗力，預應力錨索側重以主動方式為錯動帶及圍巖提供圍壓，二者綜合起到維持錯動帶剪切強度及圍巖強度條件，控制C2深層錯動變形和限制上盤巖體屈服范圍的作用。

圖9 C2深部剪切錯動變形控制措施(單位： cm)

2)淺層變形控制措施。洞室高邊墻沿錯動帶出露跡線采用錨筋樁交叉鎖口技術，限制淺層圍巖不連續變形，降低或避免錯動帶影響區淺層圍巖變形破壞風險，如圖10所示。該措施主要由交叉布置的錨筋樁和預應力錨桿構成，其作用機制亦在于以主動或被動方式為維持淺層部位錯動帶及圍巖強度條件提供圍壓。剪切帶力學性質不僅與其物理性質(礦物成分、顆粒分布和化學成分)和應力環境相關，也受賦存地下水環境影響[16]。為避免C2錯動層因地下水作用導致軟化，沿其走向同時布置了排水系統。

以上方案，重點依據上游側邊墻變形特點而制定。因交切方位性質的不同，錯動層C2對上游側邊墻圍巖的不利影響不如對下游側的突出(見圖8)，因此，上游側實際采用的控制措施在細節上存在一定差異，特別是深部變形控制措施未設置抗剪支洞。

圖10 淺層應力松弛變形控制措施

3.2 錯動帶C4高應力破壞組合控制

在高應力條件下，脆性硬質圍巖開挖二次應力超過其起裂強度導致破裂、達到峰值強度形成破壞乃至強度急劇降低是難以避免的客觀現實。淺層圍巖受高應力作用易于產生屈服破壞形成破裂鼓脹變形，而深部巖體則因應力向深部圍巖遷移引起破裂損傷。白鶴灘玄武巖脆性特性突出，破裂還可呈時效性長期擴展，進一步導致深部巖體發生破壞。因此，要求支護結構能夠限制高應力破壞的程度、范圍以及破裂時效性，保證圍巖和支護安全性的同時滿足穩定要求。

綜上，高應力條件下圍巖支護應能發揮2個方面的核心作用: 1)盡可能維持圍巖的圍壓環境，在保持圍巖承載能力的同時，抑制時效性破裂擴展，起“加固”作用； 2)對于淺表破裂松弛圍巖起到“兜網”或“維持”作用，避免這部分圍巖破壞，如圖11所示。一般而言，最常見的錨固支護(錨桿/索)和表面支護(網、噴層)可分別滿足這2個方面的要求。

圖11 針對高應力問題的圍巖支護方法

高應力破壞是在白鶴灘地下廠房工程建設中面臨的首要巖石力學問題。實踐中，依據其力學機制及對支護結構的要求，確定以下基本支護設計原則：

1)充分發揮圍巖本身的自承能力，圍巖支護遵循以“噴錨支護為主，鋼筋拱肋支護為輔”的設計原則。

2)采用噴混凝土+掛網+錨桿快速施工限制淺層圍巖松弛開裂，預應力錨索控制深層破裂變形的組合支護設計原則。

3)強調“噴混凝土+掛網+錨桿、錨索快速施工”的及時性，即主動控制圍巖破裂變形的設計支護原則。

上述支護原則對C4應力異常影響頂拱部位的支護設計同樣適用。為控制破裂擴展及破裂鼓脹變形，基于一般洞段頂拱支護設計方案對錯動帶揭露影響部位進行錨桿、錨索加密處理，并有條件地使用噴納米鋼纖維混凝土措施。

4 左岸廠房穩定性綜合評價

遵循“立體多層次、平面多工序”施工方法及“系統噴錨支護為主，局部加強或輔以鋼筋混凝土襯砌”支護設計原則，結合施工期安全監測以及圍巖穩定性數值計算反饋分析實現支護結構動態調整，白鶴灘兩岸主廠房頂拱高應力和邊墻松弛變形問題總體上得以有效控制。依據錯動帶C2、C4揭露部位及作用機制特點，針對性制定差異化組合控制措施，其在高邊墻、頂拱層影響部位的圍巖穩定性也同時得到保證。

目前，白鶴灘水電站地下洞室群主體工程已完成開挖支護。監測數據顯示，左岸廠房高邊墻錯動帶C2揭露部位的圍巖變形和支護結構受力均已經穩定。圖12示出布置于左岸主廠房3#母線洞處INzmd3-0+023-1測斜管監測獲得的主方向位移量-深度曲線。圖12顯示，該部位錯動帶C2剪切變形自2018年開始逐漸達到收斂狀態，上、下盤最大剪切位移約為39.06 mm，證明構建的錯動帶不連續變形控制技術效果顯著。同時，在右岸廠房端部小樁號部位布置的穿過錯動帶C4的錨索應力計監測成果也揭示，錨索受力未出現超限情況(設計荷載2 500 kN)。

綜合利用基本工程條件、現場變形破壞現象和監測數據開展圍巖穩定性數值反饋分析的方法，在白鶴灘水電站地下工程施工過程中得到普遍應用。主要體現了2個方面的工程價值： 1)可以通過再現、復制破壞現象并監測數據認識圍巖變形破壞機制(見圖8)； 2)幫助預測、驗證圍巖穩定性條件及包括支護結構在內的工程措施的經濟有效性。

圖12 3#母線洞INzmd3-0+023-1測斜管主方向位移量-深度曲線

針對錯動帶影響及圍巖穩定性的反饋分析表明，主廠房常規支護及針對錯動帶影響的組合控制措施能夠保證廠房圍巖穩定。在預先置換混凝土主洞+支洞組合強化措施作用下，C2錯動變形局部大于75 mm，一般為35～60 mm。比較圖8結果可見，淺層錯動變形量減小10～20 mm，且置換洞阻斷了錯動變形向深部擴展；右岸廠房小樁號C4影響部位錨桿承載也未出現超限情況。反饋分析結果在定性與定量2方面均與上述監測數據一致。

5 結論與討論

1)白鶴灘左廠邊墻和右廠房頂拱分別揭露有錯動帶C2、C4，依據現場現象和監測成果，采用巖石力學理論分析和數值計算相結合的方法研究了廠房圍巖受錯動帶影響機制。研究表明： 沿C2產生的錯動變形加劇了左廠邊墻應力松弛； C4存在的構造應力異常可與開挖二次應力在右廠頂拱層形成應力疊加效應，提高了圍巖高應力破壞風險。

2)依據C2影響機制和變形特點，創新性采用主洞+支洞聯合抗剪、交叉鎖口組合措施控制C2剪切錯動變形，降低右廠高邊墻深部和淺層圍巖的應力型松弛變形破壞風險。兩側邊墻控制措施設置在細節上應存在區別，以體現C2揭露條件不同及由此帶來的影響差異。

3)基于系統支護設計方案，對錯動帶C4在右岸廠房頂拱層揭露及影響部位強化表面支護，同時進行錨桿、錨索加密處理。前者對淺層破裂鼓脹變形破壞圍巖起“維持”作用，后者可控制深部圍巖高應力破裂的時效擴展，起到“加固”作用。

4)現場監測數據和數值反饋分析表明，系統支護設計方案和錯動帶影響組合控制措施可控制兩岸主廠圍巖變形、保持穩定。目前，圍巖變形和支護結構受力均已達到穩定狀態。

5)本文主要討論了施工期廠房圍巖在錯動帶影響條件下的穩定性，而錯動帶泥巖夾層變形和頂拱硬質巖石強度具有的時效特性及其對圍巖和支護系統長期安全的影響需要進一步深入研究。