复杂断层网络环境下地下洞室群三维地质分析与应用

韩彦青，李明超，周红波

（1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 30072；2.中国电建集团 中南勘测设计研究院，长沙 410014）

1 引 言

随着我国水利水电建设事业的飞速发展和施工技术的不断进步，越来越多的水电站厂房布置在地下，地下工程的数量迅猛增加，其规模也愈来愈大。理论研究和工程实践表明，影响地下洞室群布置最主要的因素是地质条件[1]。大跨度、高边墙地下厂房的兴建，必然会遇到复杂的地质条件和大量的地质问题，这些都给地下洞室群的设计和优化分析带来很大的困难。尤其是断层构造对厂房岩体的稳定起控制作用，在地下厂房的布置与设计中要尽量避免经过大的断层，复杂的断层构造可能引起岩体大范围失稳，构成厂房及洞室整体稳定性的控制面，还可与其他结构面组合切割形成岩石块体，在施工中容易造成局部的坍塌或塌方等。断层构造对地下工程稳定性和安全性的影响受到广泛关注，学者们从不同角度加以研究，取得了良好的成果。部分学者研究了断层三维模型的建立方法，例如，Sun[2]采用基于网格的卡尔曼滤波方法识别出了地下断层网络；Aldis 等[3]采用3DGIS 软件建立地质三维实体模型，将其运用到隧道工程的地质调查、工程设计和风险控制中；朱良峰等[4]建立了含断层的复杂地质体几何结构模型，提出了断层和地层的统一构模技术；徐能雄等[5]提出了一种以DSI 插值为基础的非连续地层界面整体重构的方法，首先对原始地层面进行重构，然后根据实际断层交线对断层影响范围内的结点调整，完成整个地层界面的重构；汤华等[6]提出了基于Kriging 插值的地层生成算法和基于任意形状两个空间多边形生成地下洞室的方法。部分学者将三维地质模型应用到工程设计与分析中，例如，闫福根等[7]基于三维地质模型对由断层和软弱夹层引起的不良地质体灌浆进行可视化分析，有效地指导了灌浆工作；黄瑞婕等[8]基于三维地质模型分析了断层在空间的延伸分布和错切关系并将其运用到油藏研究中；刘杰[9]耦合三维地质构造模型和随机结构面网络模型，精细地描述了工程区域复杂的岩体构造系统，为进一步分析块体稳定和围岩加固提供有效的地质和几何信息。综上研究中有些只是地层模型、断层模型和地下厂房模型单一地考虑，或者任意两种模型耦合，很少有对3 种模型进行耦合建模，对耦合的模型进行分析的更少。而有学者用统计性的裂隙数据结合块体理论或者发展的块体理论对地下厂房的稳定性研究也取得了较好的效果。

本文从三维地层模型、复杂断层模型、地下洞室群模型三者耦合地质统一模型出发，对三维地质统一模型进行分析，提出了断层复杂度的概念，为地下洞室群的前期选址提供一种新的分析手段，并提出了基于复杂断层构造、开挖面相互切割地层的块体理论对施工中可能产生坍塌区域预测，该方法能够在复杂断层构造环境中较为准确的预测出危险块体的位置。

2 断层构造-地下洞室群耦合模型的建立

水电工程三维地质建模可以基于面向对象的方法将建模对象分类，主要分为地形、地层类、断层类、人工对象类（本文为地下洞室群）。对于不同类型的对象将采取不同的建模方法，并在建模时考虑其他类型对象的影响，最后将三类模型耦合形成三维地质统一模型。

（1）地形轮廓体的建立

地形是地质形态中最直接、最基本的部分，也是决定水电工程选址的首要因素，因此，三维地质模型中对地形面的建模尤为重要。地形面作为三维地质模型的一个约束面，可以确定研究区域的上界。而研究区域的其他约束面则可以依据工程区域的大小和地下厂房底板、灌浆孔底等高程平面确定。本文结合不规则三角网（TIN）数据模型和非均匀有理B 样条（NURBS）技术进行地形面建模得到研究区域上界[10]，再根据工程区域大小和地下厂房底板高程所在平面选择合适的研究区域确定其他约束面，建立工程区域的地形轮廓体。

（2）地层类对象建模

水电工程大多建立在地质条件复杂的山区，多数地层被断层网络错断，断层两侧的地层有明显的相对位移。如果不考虑断层对地层的影响，建立平缓的地层体，再加入断层显然不符合实际地质状况，应在建立地层模型时就考虑断层网络对其的影响。对于单个地层体，可以通过建立上、下2 个地层面（建立方法同建立地形面的方法），一般结合地层数据和断层数据拟合即能得到，见图1，然后用考虑断层影响的地层面切割地形轮廓体，得到单一的地层体。

图1 考虑断层影响的地层建模Fig.1 Geological modeling considering fault effects

（3）断层建模及与地层模型的耦合

对于单个断层建模，首先根据断层数据并利用NURBS 曲面建模方法拟合出断层模型的左右约束面，通过边界约束和尖灭等条件处理，建立2 个合理的断层面，即断层上、下盘。然后将2 个约束面对应点连接，再建立其他约束面，最后在满足一定精度要求下，通过几何图形的集合运算对这6 个曲面进行缝合，围限形成完整的断层体。将建立的断层体导入到已考虑断层影响的地层体中，进行布尔运算分割[11]后得到耦合断层模型的三维地质模型，见图2。

对于2 个或2 个以上的相交断层的建模仍处于探索阶段，复杂断层构造都是经过一定的历史时期后形成的，新发育的断层可能受到已发育断层的影响而停止向某个方向发展。众多断层相互交错形成复杂的断层网络。本文采用面向历史构造的复杂断层网络建模方法，建立起复杂断层构造模型，见文献[10]。将生成的复杂断层构造导入到已考虑断层影响的地层体中，进行布尔运算分割后得到耦合复杂断层构造的三维地质模型。

图2 耦合断层模型的三维地质模型Fig.2 3D geological model integrated with fault model

（4）地下洞室群建模及与三维地质模型的耦合

首先确定地下厂房的中心轴线与厂房剖面尺寸，将轴线的顶点与首个厂房剖面的中心相重合，且厂房剖面垂直于轴线。用同样的方法建立起其他剖面的关系，再将相邻的剖面上对应点连接起来，形成基本的厂房洞室形状，建立起地下厂房的开挖面，由开挖面组合成地下厂房模型。将地下厂房模型导入耦合复杂断层构造的三维地质模型中，进行布尔分割运算得到三维地质统一模型。图3为沿某工程地下厂房轴线剖切图。

图3 三维地质剖切Fig.3 3D geological section

3 基于三维模型的地下洞室群地质分析

复杂断层构造是指断层条数众多，影响范围较大，众多断层交错分布，对地下洞室群的选址有较大影响，同时还与其他类型结构面和开挖面共同切割岩体形成危险块体的地质构造。在这种地质构造情况下，围岩及地下洞室群的稳定性主要受断层网络控制。

3.1 复杂断层网络的断层复杂度分析

传统的地下洞室群选址方法是在收集整理的一维、二维地质数据的基础上，对断层等资料进行分析解译进行选址设计，这种方法不够直观，不能较全面地考虑断层的展布情况。本文从断层与断层之间切割关系出发，对其构成的断层网络提出断层复杂度的概念，旨在复杂断层构造环境下地下洞室群设计选址前期快速地对地质及岩体质量进行综合评价，辅助工程设计。复杂断层构造区域中的岩石块体主要是由于断层与断层间相互切割形成的，而断层复杂度能够直观地体现断层间相互切割拓扑的关系，因而其在一定程度上能够体现出该区域内的岩石的连续性。分析断层复杂度，能够快速地从宏观上评价该区域的地质情况。下面对断层复杂程度进行分析。

本文提出复杂度的概念来对断层复杂程度进行度量，它体现出断层间相互切割拓扑的复杂程度。单一断层复杂度为0，见图4(a)；两断层相交复杂度为1，见图4(b)；两断层交第3 断层复杂度为2，见图4(c)；3 断层两两相交复杂度为3，见图4(d)；3 条断层同时交第4 条断层的复杂度为3，见图4(e)。以此类推，断层复杂度在数值上等于众多断层相交的交点数。将断层复杂度扩展到三维空间中，复杂度的数值等于断层相交的交线条数。因此，在含断层的三维地质模型中，根据断层间的拓扑关系求出众多断层的交线条数，就可以得到断层的复杂度。

图4 断层网络复杂度二维示意图Fig.4 2-dimensional sketches of fault network complexity

3.2 基于断层与断层、断层与开挖面相互切割的块体分析

由石根华博士、Goodman 博士提出的关键块体理论将几何拓扑学引入到岩体结构稳定性分析中。地层、断层等地质构造及节理裂隙统称为结构面，这些结构面间及与开挖面相互切割，构成岩石块体。若岩石块体在各种力的作用下不能保持平衡，就会发生失稳坍塌，这些块体称为关键块体。关键块体主要分布在地下厂房的顶拱和边墙附近，必须进行支护等加固处理，目前块体理论已经被广泛应用到岩体稳定性分析中。

在复杂断层构造环境下，控制洞室群等地下工程稳定性的主要为交错的断层，构成关键块体的结构面也多为断层。相对于统计数据来说，断层数据是确定型数据，在三维模型中能较确切的可视化表达出来，复杂断层构造环境下则采用曲面块体理论[12]进行分析。

本文曲面块体的概念是基于岩体中断层体和地下洞室群开挖面提出的。在三维地质统一模型中，由结构面（主要为断层）和临空面（地下洞室群的开挖面等）切割后，形成形状各异的镶嵌体为曲面块体，如图5 所示。

图5 曲面块体Fig.5 Curved surface block

数学定义如下：

式中：Bn为n 个约束面围成的曲面块体；Si为第i 个断层，由断层数据点集 Pi通过NURBS拟合函数s 拟合而成；Kj为地下洞室群的开挖面，可根据控制点坐标(xj,yj,zj)及描述其体形的曲线方程或函数k来确定；∪为约束面间的切割拓扑关系。

根据刚体极限平衡法，若块体在各种力的作用下能保持平衡，那么该块体就不会塌落（文中认为块体为刚体）。块体的运动形式有3 种：脱离岩体运动、沿单面滑动、沿双面滑动[13]。块体的最终运动取决于力的作用方式和滑动面的约束条件。建立作用于单个块体上的力的平衡方程：

式中：R为作用于块体上的主动力合力，如块体自重G、锚固力M、其他岩体传递来的压力P 等；N为滑动面上的法向反作用力；T为滑动面上的切向摩擦阻力；F为在滑动面上虚设的切向净滑动力，.为块体滑动方向。各力的作用见图6。

图6 作用于块体上的力Fig.6 Acting forces on block

本文中只考虑块体的自重作为作用于块体上的主动力，即

式中：ρi为不同岩性的岩石密度，i=1,2,…,n；g为重力加速度；V为块体的体积；α为滑动面的倾角，可从地质三维模型中计算得到；μ为块体与滑动面的摩擦系数，通过对钻孔取样岩芯进行试验获得。

结合式（2）、（3），即可求得在滑动面上虚设的切向净滑力F 的大小。如果F＞0，该块体将滑动；如果F＜ 0，该块体稳定。通过净滑力F 的大小，判断块体的稳定性，从而找到地下洞室群内可能的失稳区域，对工程支护提出指导意见。

4 工程应用

某电站枢纽建筑物主要由上水库、输水系统、发电厂房及下水库四部分组成。地下厂房洞室群有主厂房、主变洞、球阀室、母线洞、电缆竖井、通风洞等洞室组成。厂区岩性主要为S3m3-1～S3m3-2中厚～巨厚层石英砂岩，断裂构造十分发育。厂区断层多，且部分断层规模大，性状差，断层主要通过勘探平洞揭露，平洞揭露大小断层共111 条，规模较大的断层主要有F10、F32、F54。除F10、F32、F54外，其他断层延伸不长。各组断层之间相互切错，平洞内多处见有小断层之间相互错动现象。

4.1 三维地质统一模型的建立

根据多源地质数据建立考虑断层影响的地层模型、断层网络模型和地下洞室群等模型，将3 类模型进行耦合得到工程三维地质统一模型，见图7。

4.2 地下洞室群选址方案分析

通过耦合断层的三维地质模型可以清楚地看出，断层的规模以及在区域内的展布，从模型中得到该区域有断层60 条，其中大断层3 条，分别为F10、F32、F54，其他断层规模不大。大断层少，区域稳定性较好，避开3 条大断层可以考虑在此布置地下厂房，小断层较多，地下工程的稳定性应受到重视。通过对断层模型进行求交线计算得到不同区域、不同高程平面的断层复杂度，直观了解各方案、各高程处断层的交错分布情况。综合考虑断层复杂度和输水发电要求得到地下厂房选址的优选方案。

图7 耦合断层及地下洞室群的三维统一模型Fig.7 3D geological model integrated with fault and underground caverns

图8 各方案地质分析Fig.8 Geological analysis of schemes

通常厂房所在高程一般是根据发电要求确定，而水平位置的确定主要考虑地质条件。本文选择3种地下厂房洞室群选址方案（高程已定），方案1（可研方案）：设计地下厂房洞室群的选址；方案2：将可研方案地下厂房洞室群整体向西平移130 m，再向北平移55 m；方案3：将可研方案地下厂房洞室群整体向东平移120 m。图8(a)～8(c)分别为不同方案典型高程（厂房拱顶平面、水轮机层）处的平切分析图，表1 列出了各方案厂房区域不同高程断层复杂度。

通过3 个方案的对比，方案1 中厂房区域有大断层F54通过，各高程断层复杂度都很大，即断层交错较复杂；方案2 中厂房区域基本没有大断层通过，有效减小了断层F54的影响，且各高程断层复杂度小，方案1 有较大优势，方案3 中厂房区域有3 条大断层F10、F32、F54通过，区域稳定性较差，不宜采取此方案。综合比较推荐方案2。

表1 各方案厂房区域不同高程断层复杂度Table 1 Fault complexity at different elevation of each program in plant region

4.3 地下洞室群失稳区域预测

复杂断层网络相互交错，与开挖面一起切割围限成危险曲面块体。对块体进行搜索，得到8 个可能滑动的曲面块体，分析块体的滑动形式并计算各块体的净滑力，计算结果见表2。1#～7#是关键块体，应对1#～7#块体附近区域进行加强支护，如图9 所示为1#～5#块体群，曲面块体8#的净滑力F ＜0，能够保持稳定。

表2 曲面块体Table 2 Curved surface blocks

图9 1#～5#块体群Fig.9 Surface block group #1-#5

5 结 语

大型水利水电工程地下洞室群多处于复杂断层构造环境中，本文综合考虑复杂地质构造与地下洞室群结构的关系，建立了地层、复杂断层结构、地下洞室群的三者耦合模型。基于三维模型提出了断层复杂度的概念，为复杂断层构造环境下的地下厂房选址提供了一种新的方法，针对地下围岩稳定性问题，提出了基于断层与断层、断层与开挖面相互切割的曲面块体识别方法。所提出的理论方法应用于某水电工程复杂地下厂房洞室群分析，建立相应的三维统一模型，进行断层复杂度分析和曲面块体分析，实现了选址多方案对比和地下围岩块体搜索识别，为复杂地质构造条件下水利水电工程地下厂房洞室群分析提供了一种新的手段。

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