控制性结构面对地下洞室围岩稳定性的影响

巨能攀 赵建军 黄润秋 孙传敏

(成都理工大学“地质灾害防治与地质环境保护”国家重点实验室,成都610059)

一般而言,岩体结构面是自然地质历史过程的产物,结构面规模越大,对工程的控制和影响就越大,它们往往关系到山体、岩体和区域构造稳定性,影响和控制工程结构形式、布置和选点,控制岩体破坏形式,对工程整体稳定性影响较大[1]。规模越小的结构面主要控制岩体破坏形式,对工程局部稳定性有一定的影响。基体裂隙则主要影响岩体的完整性、力学特性、渗透性并决定岩体的破坏形式,对工程稳定性影响不突出[2,3]。所以控制性结构面主要是对地下洞室布置和围岩稳定性起控制作用的大规模断层或软弱夹层。

众多学者研究了结构面对地下洞室围岩稳定的影响,但已有的成果主要集中在具体工程和具体工程特性的结构面对围岩稳定性影响方面[4～7]。针对结构面对地下洞室布置和围岩稳定影响的宏观规律还没有取得比较系统的成果,仅有些局限于实践基础上的经验,如“陡倾结构面对围岩稳定性影响较小,而缓倾影响较大”等,还没有对结构面与工程布置和围岩稳定性的相互作用关系做详细的研究。本文以糯扎渡水电站的地下洞室群为原型,在众多的结构面中,选取两类典型的结构面,分别详细分析它们对地下厂房围岩应力、变形的影响,总结出控制性断层和主要结构物的距离与结构物应力和变形的关系,以及不同产状的结构面对围岩应力和应变影响的定量关系。其成果对其他类似的洞室群的布置和形态、结构设计具有一定的指导意义。

1 地质条件及结构面工程特性

糯扎渡水电站坝高261.5 m,装机容量5 850 MW。电站采用左岸地下发电系统,其地下发电系统主要由主厂房(418 m ×29 m×77.7 m)、主变开关室、尾水调压室以及尾水洞等构成了庞大而复杂的地下洞室群。

地下洞室群的主体岩性为二叠纪-三叠纪花岗岩,690～810 m海拔高度以上为缓倾坡内的中三叠统忙怀组下段砂岩、泥岩[8,9]。地下厂房区地应力实测结果,最大主应力量值为6.55～11.41 MPa,方向大致为 N20°～65°E。大量的现场调查表明,研究区发育有三类结构面。其中Ⅰ类结构面为具有一定宽度构造岩充填的控制性断层型结构面,其总体特征表现不仅在规模上具有一定的延伸长度(一般贯穿整个坝区,延伸长度在100 m以上),而且具有一定厚度的断层破碎带,破碎带物质多由性状相对较差的各类构造岩组成。因而这类结构面对岩体的变形破坏起着关键性的控制作用。其岩体力学效应和强度特征主要受充填物的性质和厚度控制。根据其规模,这类结构面又可进一步分为两级：①延伸长度在1 km以上(Ⅰ-1);②延伸长度在0.1～1 km 之间(Ⅰ-2)。显然,这类结构面对工程岩体稳定性的控制范围不同,因而具有不同的工程意义。Ⅰ类结构面展布特征如图1所示,其工程特性如表1所列。

2 Ⅰ-1类结构面对地下洞室群布置的控制

2.1 地下洞室的选址和布置基本要求

水电站地下洞室的位置选择应以地下厂房为主,兼顾其他洞室,综合岩性、岩体结构特性、软弱地质结构面的空间展布、风化卸荷深度、地应力状态及水文地质条件,确定地下厂房的临河距离、埋置深度及空间位置[10]。一般而言,岩体结构较差且地应力较低时,厂房轴线的确定以岩体结构条件为主;当岩体结构较好,且地应力值较高时,应考虑地应力因素为主。按照一般要求,厂房选址时应避开Ⅰ级结构面,尽量避开Ⅱ级结构面。厂房轴线的方向与厂区初始地应力场最大主应力方向的夹角不宜过大,一般要求小于30°。

图1 结构面展布特征Fig.1 Distribution character of main discontinuities

2.2 糯扎渡地下洞室群的布置

糯扎渡水电站引水发电系统布置于左岸山体中,厂区由主厂房、主变室、尾水闸门室及尾水调压室等构成,主要洞室的山体覆盖厚度约为180～220 m,距坡面的水平距离在250 m左右。引水系统包括引渠、进水口、压力管道等建筑物,发电机组均为单机单管引水[11]。按照前述的地下洞室布置原则,需要尽可能增加地下洞室群与F1和F3断层距离;但由于厂房区的构造格架、地质条件和建设规模的限制,厂房区主要的四大洞室群没有向外移动的余地,通过多种方案的分析研究,确定以减少主厂房的长度和通过压缩洞室间距的方法使得洞室群尽量远离F3和F1断层。何种距离最利于洞室的稳定?本文拟以洞室群的主厂房为原型,采用Flac3D数值模拟方法[11～13]来研究F3、F1断层与洞室边墙不同距离时厂房的应力和应变特性,得到距离和洞室群稳定性的相互关系。

表1 Ⅰ类结构结构面的工程特性Table 1 Engineering characteristics of typical TypeⅠjoints

2.3 计算模型及其模拟方案设计

糯扎渡水电站的主厂房位于坝区左岸,其垂直埋深约200 m,外侧端墙距坡面距离近250 m。其厂房区岩体主要为块状、次块状的花岗岩,总体上岩体为Ⅱ类岩体,和从厂房的北东侧通过。地下厂房和F3,F1的关系如图1所示,建立的计算模型如图2所示。

主厂房区主要为Ⅱ类花岗岩,F1和F3为断层型Ⅰ-1结构面。岩体和断层的取值如表2所示[4,5,12]。

共建立15个模型进行对比。整个洞室的内端墙到F3的距离从180 m变化到40 m,每个模型的内端墙到F3的距离相差1 0m,记下每个模型开挖后如图3所示追踪点的位移和应力值,然后进行对比分析。

图2 主厂房与F1,F3相互关系Fig.2 Relation between the main plant and F1,F3

图3 追踪点布置示意图Fig.3 The layout of tracking points

2.4 模拟结果分析

地下洞室开挖后,围岩在初始应力场的作用下向厂房的临空面发生了一定的位移,同时围岩的应力场也发生了变化;特别是随着洞室与F1和F3的距离减小,在洞室的端墙附近产生了较大的应力集中,其位移值也出现较明显的变化。

2.4.1 应力随距离动态变化分析

地下洞室开挖后,围岩的应力场发生了变化(图4、图5)。为了准确了解各距离条件下应力的变化状况,在模拟计算过程中,利用Flac3D的Fish语言,开发了记录各个追踪点应力并自动保存为外部文件的实用程序,以此做出各个追踪点的应力变化曲线来进行对比分析,如洞室2#追踪点应力随端墙距离的变化曲线(图6)。

综合以上各点的应力随内端墙与F3距离的变化特征可看出,不同工程部位F3的影响效果有一定的差异,如顶拱随着距离的变化,应力变化规律不明显,最大(小)主应力都在一定范围附近内波动。其他各点总体上表现为：F3对洞室围岩应力产生较大影响的距离主要在80 m以内,对应力的影响主要呈现出最大主应力不断增加,而最小主应力逐渐减小,使得应力差加速增大而影响洞室的围岩稳定,如内端墙中部2#(图6)。对围岩最大主应力随端墙到距离的变化进行了统计得到如图7所示曲线,从中也可以体现端墙应力随距离的变化规律,应力最大值随内端墙距F3距离的减小而增大,特别是80 m后增大较快,最大增值近2倍。

表2 岩体和断层物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass and faults

图4 模型15最大主应力等值线图Fig.4 Contour of the max stress in Model 15

图5 模型15最小主应力等值线图Fig.5 Contour of the min stress in M odel 15

2.4.2 位移随距离动态变化分析

地下洞室开挖后,围岩将产生位移变化(图8)。为准确了解各距离条件下位移的变化状况,同样开发了记录各个追踪点位移并自动保存为外部文件的实用程序,以此做出各个追踪点的位移变化曲线并进行对比分析,如洞室6#追踪点位移随端墙距离的变化曲线(图8)。

图6 内端墙中部(2#)应力随端墙距离变化曲线Fig.6 Curve between stress and distance of 2#

图7 围岩应力最大值随端墙距离变化曲线Fig.7 Curve between max of stress and distance

图8 端墙中心(6#)位移随端墙距离变化曲线Fig.8 Curve between displacement and distance of 6#

综合各追踪点的位移随内端墙与F3距离的变化特征可看出：虽然不同追踪部位各个方向位移的变化特点有一定的差异,但总体上主厂房围岩位移随内端墙F3距离的减小而不断增加;特别是在F3距内端墙距离小于60 m后,各个测点的位移总体上呈现出大幅增加的特点,如洞室内端墙中心6#(图8)。从各个测点的最大位移统计曲线(图9)也可看出,当距内端墙距离小于60 m后,围岩的最大位移也产生了较为显著的变化：可见F3对洞室围岩变形产生较大影响的距离为60 m。

图9 主厂房围岩位移最大值随端墙距离变化曲线Fig.9 Curve between max of displacement and distance

3 Ⅰ-2类结构面对地下洞室群围岩稳定性的影响

3.1 计算模型及其模拟方案设计

地质模型选择思路和方法相同,仍以糯扎渡地下厂房为原型,结构面选取较为典型的。厂房区岩体主要为块状、次块状的花岗岩,总体上为Ⅱ类岩体,假设从主厂房中部通过。

模型的计算参数见表2。为了研究洞室围岩应力和变形与结构面产状的相互关系,本次模拟共建立36个模型。结构面与洞室轴线的夹角分别为 15°,30°,45°,60°,75°,90°;其对应的结构面倾角分别为 15°,30°,45°,60°,75°,90°,相互组合构成36个计算模型。在分析过程中,沿轴线每隔10 m记录模型开挖后追踪点的位移和应力值,然后进行对比分析。

3.2 计算结果分析

3.2.1 应力场分布特征

地下洞室开挖后,围岩的应力场发生变化,最大主应力方向与边墙基本平行,最小主应力与边墙近于垂直,在断层与边墙相交的位置产生拉张应力集中。同样,根据记录值,作出各个追踪点的应力变化曲线进行对比分析(图10)。

根据模拟结果得出洞室各追踪点主应力随倾角、夹角的变化规律如下：在不同夹角和倾角结构面的影响下,洞室顶拱、底板中点和洞室左右边墙应力变化特点存在一定的差异;但总体看来,随着结构面与洞室轴线夹角的变化,最大主应力量值减小,最小主应力呈现小幅波动。随着结构面倾角和结构面与洞室轴线的夹角的增大,对围岩的应力影响却逐渐减弱。中等倾角的结构面对洞室边墙的围岩应力影响较小,而低倾角的结构面对洞室的边墙围岩应力的影响较大;倾角为15°时,随着倾角的增加主应力不断增大,应力差也不断增大：这种应力条件不利于围岩的稳定。

图10 顶拱追踪点应力随倾角(夹角)变化曲线Fig.10 Curve between top tracking point and dip direction or angel

3.2.2 变形场特征

地下洞室开挖后,围岩在初始应力场的作用下向厂房的临空面发生了位移,特别在低-中倾角的断层附近产生了较大的位移。通过开发的程序记录各个追踪点的位移,以此作出各个追踪点的位移变化曲线来进行对比分析,如洞室拱顶位移随轴线交角的增加和结构面倾角的变化曲线(图11)。

根据模拟结果得出洞室各追踪点位移随倾角、夹角的变化规律如下：随着结构面产状的变化,结构面对围岩位移的影响效果不显著,得到的位移随角度的变化曲线虽有一定的规律,但整个量值变化不大,洞室拱顶和底板围岩主要以向洞室内部回弹变形为主,随着洞室结构面产状的变化,量值变化不大;洞室边墙的围岩变形主要以X和Y方向的位移为主,特别在中等倾角的情况下,X和Y方向的位移均有所增加,而且总的最大位移量可能成倍增加。可见中等倾角的结构面对围岩的稳定不利。

图11 顶拱追踪点位移随倾角、夹角变化曲线Fig.11 Curve between top tracking point and dip direction or angel

4 结论

以糯扎渡地下洞室群为原型,利用数值模拟方法,研究Ⅰ-1级(,)结构面对地下洞室群布置的控制作用和Ⅰ-2类结构面()对地下厂房围岩应力、变形的影响效应,得出如下基本结论：

a.Ⅰ级结构面与洞室内端墙距离小于80 m时,应力影响效果显著,最大主应力增大近2倍,而最小主应力减小,使得应力差增大,影响围岩稳定。当距离大于80 m时,影响效应不明显。可见,对围岩应力产生显著影响主要在80 m以内。

b.主厂房围岩位移随内端墙距F3的距离减小而不断增加,特别是小于60 m后,各点位移增幅达1.5倍;而当距离大于60 m时,影响较小。可见,对围岩变形产生显著影响主要在60 m以内。

c.在洞室拱顶和底板处,随着结构面倾角和结构面与洞室轴线的夹角增大,对围岩的应力影响逐渐减弱。中等倾角的结构面对洞室边墙的围岩应力影响较小,而低倾角的结构面对洞室的边墙围岩应力的影响较大。当倾角为15°时,应力差较大,不利于围岩的稳定。

d.随着结构面产状的变化,对围岩位移的影响不显著。洞室拱顶和底板围岩主要以向洞室内部回弹变形为主,洞室边墙围岩的变形主要以X和Y方向为主。在中等倾角的情况下,X和Y方向的位移较大。可见中等倾角的结构面对围岩的稳定不利。

e.综合分析应力和变形的变化规律,在地质条件复杂的区域布置厂房时,端墙与控制性断层的距离宜大于80 m,亦即距离应大于3倍洞室跨径。

[1]张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M].北京：地质出版社,1994.

[2]孙广忠.岩体结构力学[M].北京：科学出版社,1988.

[3]谷德振.岩体工程地质力学基础[M].北京：科学出版社,1979.

[4]黄润秋,许模,陈剑平,等.复杂岩体结构精细描述及其工程应用[M].北京：科学出版社,2004.

[5]朱维申,李晓静,郭彦双,等.地下大型硐室群稳定性的系统性研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(10)：1689-1693.

[6]杨为民,陈卫忠,李术才,等.快速拉格朗日法分析巨型地下硐室群稳定性[J].岩土工程学报,2005,27(2)：230-234.

[7]崔银祥,聂德新,陈强,等.大跨度地下硐室围岩结构面空间展布的确定性研究[J].成都理工大学学报：自然科学版,2005,32(4)：0351-356.

[8]魏植生,何伟.糯扎渡水电站枢纽区主要工程地质问题研究[J].水力发电,2005,31(5)：26-28.

[9]王文远,张四和.糯扎渡水电站左岸厂房区地下硐室群围岩稳定性研究[J].水力发电,2005,31(5)：30-33.

[10]陈祖安,孙仲乐,彭土标,等.中国水力发电工程：工程地质卷[M].北京：中国电力出版社,2000.

[11]张宗亮.糯扎渡水电站工程特点及关键技术研究[J].水力发电,2005,31(5)：5-9.

[12]巨能攀.大跨度高边墙地下硐室群围岩稳定性评价及支护方案的系统工程地质研究[D].成都：成都理工大学档案馆,2005.