考慮圍巖EDZ的高地應力地下廠房變形反饋分析

譚 洲 李 彪 殷修宇 吳 楠 李 鵬

（1.西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610065；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司地質勘探開發研究院，四川 成都 610562；3.國家能源集團金沙江旭龍水電開發有限公司，四川 德榮 627950；4.四川大渡河雙江口水電開發有限公司，四川 馬爾康 624099）

0 引 言

水電開發是保障能源轉型、實現雙碳目標的關鍵，在向地球深部進軍的戰略背景下，我國西南地區水電地下工程不斷縱向發展。深部巖體受開挖卸荷強度、地應力水平、地質構造等影響使得圍巖變形破壞機理十分復雜，經研究發現，巖體的宏觀變形破壞是其破裂損傷漸進演化的結果[1]。地下洞室開挖卸荷過程圍巖受到爆破動力荷載、卸荷作用和應力重分布的影響，圍巖應力狀態發生明顯變化，局部區域應力集中和能量聚集超過圍巖自身強度時，將導致巖石內部新破裂的形成和原破裂的發展，在臨空面周圍形成一個損傷區域。

由于西南地區特殊的地理環境，深部巖體大都處在高地應力環境中，在這種環境下，圍巖受開挖卸荷擾動，倘若支護措施不及時或強度不夠，巖體損傷將會加劇，導致圍巖EDZ（EDZ指開挖擾動或損壞區）進一步擴展，嚴重影響地下洞室穩定性。如白鶴灘[2]、猴子巖[3]、雙江口[4]等水電站地下廠房，都因巖體損傷問題引發過嚴重的圍巖失穩破壞，這些破壞的實質是巖體所處復雜地應力環境和開挖卸荷擾動聯合作用引發的圍巖內部微破裂損傷發育、累積。深埋大型地下洞室群開挖卸荷過程中，由巖體力學參數劣化形成的圍巖EDZ，會直接影響洞室圍巖穩定和安全。因此，對深部地下洞室EDZ的研究成為水電工程領域研究的重點。

目前，國內外許多學者通過各種現場監測手段對圍巖EDZ進行了研究。Sato等[5]在Tono礦區隧道爆破開挖過程中進行了包括位移監測、壓水試驗等在內的多種現場實驗，研究表明開挖方式是影響圍巖EDZ范圍的重要因素。Falls等[6]利用聲波測試法研究了在不同應力水平影響下的各種開挖方式對洞室圍巖EDZ 的影響特征。Maxwel等[7]利用聲波測試、地震折射等方法，確定了EDZ的范圍和損傷程度。

對于圍巖EDZ的研究，除了現場監測之外，數值模擬也是最常用的手段。Wang等[8]運用RFPA有限元程序，研究了分均質性和各向異性對隧洞EDZ的影響。Shen等[9]采用UDEC離散元方法，研究了節理間距對EDZ形狀的影響。嚴鵬等[10]利用顆粒流程序（PFC）軟件，研究了深埋隧洞爆破開挖圍巖損傷特性和機制。

基于以上認識和研究，本文以國內鮮有的高～極高地應力條件下的大渡河雙江口水電站地下廠房為研究對象，將圍巖EDZ信息嵌入地下廠房三維數值模型中，計算分析圍巖損傷對圍巖變形的影響，實現考慮圍巖EDZ影響的地下洞室圍巖穩定性反饋分析。

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開發的關鍵性工程之一。雙江口水庫為干流控制性水庫，壩址處控制流域面積39330km2，水庫正常蓄水位2500m。堆石壩最大壩高314m，對應庫容約28.97億m3，具有年調節能力，電站裝機容量2000MW。

雙江口水電站左岸地下廠房屬于典型高地應力深埋地下廠房，3#機組中心距壩軸線約85m，廠房縱軸線方向為N10°W。主廠房最小水平埋深約400m，垂直埋深約320～500m。主機間、副廠房和安裝間呈“一”字型布置。在SPD9平硐施工中，片幫剝離現象較普遍，隨洞深的不斷增加，主應力值呈現上升趨勢，到達400m處時上升至37.82MPa，此階段處于高～極高地應力帶。在洞深400m以后，傾角變緩，以水平應力占主導，最大主應力值介于20～30MPa之間。

2 考慮圍巖EDZ的高地應力地下廠房變形反饋分析

2.1 考慮圍巖EDZ的本構模型

巖體的彈性模量和泊松比是描述巖體抗變形能力的力學性質指標，與波速密切相關。在彈性介質中，通過波速可以計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之間有如下關系：

由于橫波不能在液體中傳播，容易產生測試誤差，所以，在巖體力學中，一般采用縱波波速來建立與彈性模量之間的關系。

而工程實踐中發現巖體的泊松比相對穩定，可以視為定值。所以將，則有：

因此，通過式1～5，可以將測得的圍巖不同部位波速轉化為彈性模量，并依據該彈性模量在數值模型中進行強度折減。

2.2 考慮圍巖EDZ的地下廠房數值模型

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

將現場實測的圍巖聲波數據，利用公式（1～5）確定松弛范圍內巖體劣化程度并在FLAC3D計算時劣化對應范圍的巖體參數。達到地下廠房模型嵌入圍巖EDZ 的目的，廠區整體模型如圖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 廠區整體三維數值模型

圖2 地下廠房數值模型

2.3 計算結果分析

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，附近開挖位移和應力較大，利于數值計算和對比研究，因此本文選取該典型斷面進行研究。通過考慮圍巖EDZ影響的地下廠房模型模擬廠房一層開挖，并結合項目現場實測資料，設置“考慮圍巖EDZ影響的數值模型”和“未考慮圍巖EDZ影響的數值模型”兩組情況進行對照，并在廠房一層拱頂和上、下游拱腳巖體10m范圍內，每隔0.2m設置一個監測點（如圖3）。基于計算后圍巖的位移和應力結果，揭示地下廠房圍巖損傷對圍巖的影響。

圖3 監測點布置圖

圖4給出了“考慮圍巖EDZ影響的數值模型”和“未考慮圍巖EDZ影響的數值模型”兩組情況下地下廠房一層模擬開挖后的位移特征，并通過設置的監測點得出了兩種情況下的一層開挖拱頂和上、下游拱腳孔口的計算位移（見表1）。

表1 兩組情況廠房第一層開挖典型部位孔口位移值

圖4 兩組情況廠房第一層開挖位移特征

從圖4中可以看出，不論是否考慮了圍巖EDZ的影響，主廠房下游區域均出現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影響的數值模型”的情況增長了3mm左右，且在“考慮圍巖EDZ影響的數值模型”情況下下游拱腳位移增長更加明顯，比“未考慮圍巖EDZ影響的數值模型”的情況增長了7mm左右。可以看出，當考慮了圍巖開挖的損傷效應情況，廠房開挖后圍巖的最大位移值也隨之增加，但發生最大位移的部位沒有明顯的改變，并且由于不良地質的影響，考慮圍巖開挖的損傷效應會使變形更大的部位損傷加劇。

圖5給出了“考慮圍巖EDZ影響的數值模型”和“未考慮圍巖EDZ影響的數值模型”兩組情況下廠房一層模擬開挖后的應力特征，同樣通過設置的監測點得出了兩種情況下拱頂和上、下游拱腳孔口的計算應力（見表2）。

表2 兩組情況廠房第一層開挖典型部位孔口應力值

圖5 兩組情況主廠房第一層開挖應力特征

從圖5中可以看出，洞室整體應力水平較高，兩組計算結果所表現出來的應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影響的數值模型”情況下下游拱腳的計算應力為4.65MPa，是應力集中最大的區域，拱頂的計算應力為3.42MPa，上游拱腳的計算應力為2.01MPa。而在“考慮圍巖EDZ影響的數值模型”的情況下的拱頂、上游拱腳位移比“未考慮圍巖EDZ影響的數值模型”的情況增長了1MPa左右，且在“考慮圍巖EDZ影響的數值模型”情況下下游拱腳位移比“未考慮圍巖EDZ影響的數值模型”的情況增長了2.5MPa左右。可以看出，當考慮了圍巖開挖的損傷效應情況，廠房開挖后圍巖的最大應力值同樣會隨之增加，發生最大位移的部位也沒有明顯的改變，并且由于不良地質的影響，考慮圍巖開挖的損傷效應會使應力集中的部位損傷加劇。

綜上可知，地下洞室開挖卸荷引發的圍巖EDZ可能會引起淺層圍巖較大程度的損傷，造成巖體力學性能降低，從而導致圍巖較大幅度的變形增長，影響洞室施工與運行穩定性。因此，工程建設過程中，需嚴格防控洞室開挖卸荷所造成的圍巖損傷，及時采取加固措施，避免圍巖損傷導致的外觀變形持續增長。

3 結束語

本文以國內鮮有高地應力條件下的雙江口水電站地下廠房為研究對象，基于圈定的圍巖EDZ以及EDZ范圍內巖體參數的劣化尺度，在數值模擬中進行了在考慮圍巖EDZ影響的高地應力地下廠房圍巖變形反饋分析。主要結論如下：

開展考慮圍巖EDZ影響的高地應力地下廠房變形反饋分析，基于圈定的圍巖EDZ以及EDZ巖體參數劣化尺度，將EDZ影響考慮進數值模型中進行定量研究，設置考慮圍巖EDZ影響和未考慮圍巖EDZ影響兩個對照組。計算結果表明受煌斑巖脈的影響下兩組情況所表現出的位移和應力特征基本一致，即廠房下游圍巖損傷比上游更嚴重，而對比未考慮圍巖EDZ 影響的情況，考慮了圍巖EDZ影響的數值模型在計算后位移和應力更為顯著，并且考慮了圍巖EDZ影響會使原本損傷嚴重的部位損傷進一步加劇。