白鹤滩水电站地下厂房错动带围岩稳定性控制方法研究

朱永生， 褚卫江， 万祥兵， 欧阳秋平， 何 炜， 王鹏飞

(1. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司， 浙江 杭州 311122； 2. 浙江中科依泰斯卡岩石工程研发有限公司， 浙江 杭州 311122； 3. 中国三峡建设管理有限公司， 北京 610042)

0 引言

白鹤滩水电站是我国继长江三峡和溪洛渡水电站之后又一千万kW级巨型水电工程，拥有世界最大规模的地下厂房洞室群。

白鹤滩水电站地质条件复杂，在施工过程中普遍揭露了脆性岩体的高应力破坏、软弱错动带导致的深层变形及柱状节理玄武岩的破裂松弛3类典型岩石力学问题[1]。一般情况下，若洞室群结构形态及布置方案既定，则包括岩体质量及区域地应力特征在内的基本地质条件决定了洞室群围岩变形稳定性的总体格局。然而，白鹤滩水电站坝址区发育有多条普遍揭露于洞室群结构不同部位的大型错动带(属Ⅱ级结构面)，其导致以具有大跨度、高边墙结构特征的主厂房的围岩稳定性问题尤为突出，甚至影响主厂房的整体成洞条件。因此，错动带影响与控制成为决定白鹤滩水电站大型地下厂房工程建设成败的关键问题之一。

错动带普遍性存在,给世界上许多工程带来了岩体稳定性问题和地质灾害。在水利水电工程界，错动带力学特性及工程影响相关研究并不鲜见，如溪洛渡、二滩、拉西瓦等一些重大的水电工程，都揭露了错动带的不利影响[2]。

樊启祥等[3]指出，玄武岩层间和层内错动带所造成的岩体固有非连续性和各向异性是溪洛渡地下岩体工程实践中的主要问题。柴波等[4]研究了蓄水期三峡库区巴东新城区库岸滑坡在软弱带条件下的变形特征。依托白鹤滩水电站工程，国内学者结合试验、理论研究及数值分析等方法对错动带力学特性和工程影响开展了大量研究。徐鼎平[5]研究了白鹤滩水电站错动带剪切特性及其对洞室群整体稳定性的影响。鲁燕儿等[6]采用Beta概率密度函数分析了白鹤滩水电站31组错动带剪切强度参数(即黏聚力和摩擦因数)的分布规律。文献[7-8]结合现场地质资料、监测数据及勘探认识，利用离散单元法，研究了白鹤滩水电站坝址区边坡地应力分布特点及边坡稳定性，认为陡倾断层和错动带是影响边坡稳定性的控制性因素。

总体而言，现有错动带研究内容多以力学特性为主，而对工程影响机制的认识有待深入。本文以白鹤滩厂房基本条件为背景，结合现场围岩破坏现象、监测数据和数值模拟反馈分析等，考察错动带对围岩变形破坏的作用机制，据此提出针对性控制措施并评价其有效性。

1 厂房区基本条件

白鹤滩水电站为长江干流金沙江下游4个水电梯级的第2个梯级，总装机1 600万 kW，是目前在建的最大水电站，建成后将成为世界第2大水电站[9]。地下厂房分别布置在河流两岸山体内，每座厂房各装8台、累计16台发电机组。洞室群主体包括主厂房、主变洞、尾水闸门井、尾调室等建筑结构，其中左、右岸厂房尺寸相同，结构尺寸为438 m×34 m×86.7 m(长×宽×高)。地下洞室群布置及主要错动带展布形态如图1所示。

(b) 右岸

白鹤滩水电站左、右岸地下洞室群区域为单斜岩层(倾向右岸)，岩性以P2β2—P2β6微晶、隐晶质玄武岩为主，斑状、杏仁状玄武岩次之，其余为玄武质角砾熔岩和凝灰岩。岩体多为微风化或新鲜状态，除层间错动带等构造影响部位局部为Ⅳ类围岩外，其他洞段都为Ⅱ、Ⅲ1和Ⅲ2类围岩，且以Ⅲ1类围岩比例(70%～90%)最高，岩体完整性较好。

将玄武岩每个火山喷发旋回划分为1个地层单位，不同岩性间的地质界面受后期构造运动作用可能出现错动现象，地质上称之为层内错动带，间隔一般为数m。由于顶板凝灰岩相对软弱，一些喷发旋回的界面可以形成规模较大、性状不良的错动现象，称之为层间错动带。白鹤滩水电站地下洞室群区域发育有规模等级较大、性质较差的层间错动带C2、C3、C4和C5。其中，C2与C3分别揭露于左、右岸厂房边墙，C4在右岸厂房小桩号顶拱部位得以揭露。层间剪切带平缓的产状和不良的性状成为维持主厂房围岩稳定需要关注的重点因素。

因构造运动强烈，高地应力是西部水电建设的基本环境条件。白鹤滩水电站地下洞室群属中—深埋条件(左、右岸厂房垂直埋深分别达到260～330 m、420～540 m)。经大量现场地应力测试及综合分析表明，左、右岸地下洞室群初始最大地应力分别为19～23 MPa和22～26 MPa，最大主应力方向总体接近水平，且应力比(最大和最小主应力之比σ1/σ3)较高，普遍达到2.0。同时，包括剪切带在内的大型构造为局部地应力改造作用提供了条件，导致地应力局部异常、测试结果具有明显的分散性。其中，尤以揭露于右岸厂房顶拱部位的错动带C4的影响最为突出，该错动带导致其影响带应力水平和应力比均得以提高。在右岸洞室群勘探平硐掘进过程中，“V”形片帮破坏现象在C4应力异常区域表现强烈，破坏形态具有“窄”且“深”的特点，是高应力水平与高应力比综合作用的结果[10]。

2 围岩破坏现象与错动带影响

考察围岩开挖应力分布特征，帮助认识岩体潜在破坏类型及岩石力学机制[9]。由于白鹤滩水电站地下洞室以近水平构造应力(σHmax>σHmin>σV)占主导，地下洞室顶拱围岩因此成为出现应力集中的重点部位，而边墙则因强烈的应力释放作用产生明显松弛。应力响应方式的不同，可以使地下厂房不同部位破坏方式形成本质差异。

2.1 应力型破坏

室内声发射试验表明，白鹤滩玄武岩脆性特性显著，且起裂强度仅处于约为40 MPa的较低水平。然而，主厂房顶拱开挖二次主应力(最大主应力σ1)集中水平可达50 MPa，导致顶拱层围岩产生了较为显著的破裂破坏。左岸地下厂房顶拱围岩在施工期揭露的高应力片帮破坏现象和采用数值分析方法获得的反馈分析结果如图2所示，数值分析解译的破坏机制与现场破坏现象及特点基本一致。

图2 高应力破坏的现场表现及力学解译

片帮是在中国西部深埋地下工程建设中较为典型的高应力破坏形式，如雅砻江流域大理岩地层中的锦屏一级地下厂房和锦屏二级深埋引水隧洞工程[11]。后者埋深条件远高于白鹤滩地下洞室群工程，但若排除构造引起的断裂型高应力破坏[11]，其大理岩中片帮破坏现象的普遍性和剧烈程度却并不如白鹤滩地下工程。白鹤滩地下工程除具有高应力比应力环境外，岩石脆性特性的显著差异也是导致这一区别的重要原因。如图3(a)所示，在0～40 MPa室内试验围压情况下，锦屏白山组大理岩的脆性条件因围压增加而明显衰弱，呈典型的脆—延—塑转换特性[12]。与此显著不同的是，白鹤滩玄武岩脆性性质强烈，且尤以右岸地下厂房围岩主要构成岩性——隐晶质玄武岩最为突出。参考图3(b)，室内隐晶质玄武岩试样在加载达到峰值后，多会突发强烈的脆性崩解破坏，应力-应变曲线从而直接跌落至底部或因试样破坏导致传感器崩落而造成数据丢失，很难出现完整的峰后段，且其脆性条件在40 MPa工程围压范围内几乎不会因围压变化而改变，具有显著的剪胀特性[13]。除较高的初始地应力水平外，白鹤滩厂房围岩还具有易于形成高应力破坏的物质条件。

2.2 应力型松弛破坏

构造应力状态和地下厂房轴线布置方案等基本因素决定了围岩应力分布及其稳定性。以此为前提，维持围岩稳定性还应特别考虑三维空间维度内的开挖方案设计。大型地下厂房规模巨大，多采用分区、分部开挖方法进行施工。其优点主要在于可灵活调整开挖部位和开挖量，降低开挖对围岩的扰动程度或叠加效应；而不利影响则是使得围岩应力路径及其决定的围岩破坏机制复杂化。

由于厂房拱顶首先得以开挖形成，其中的围岩因高应力集中作用导致屈服破坏。边墙围岩应力则因为底板拐角部位结构效应作用经历先集中后卸荷松弛的复杂过程，因此，其破坏机制也不同于常规应力型或单纯的松弛型破坏，如图4所示。白鹤滩地下厂房分部开挖两侧拐角部位围岩可在上部开挖过程中先形成应力集中，然后在厂房开挖高程进一步下卧过程中因强烈的应力释放作用而形成应力型松弛变形破坏。

(a) 锦屏白山组大理岩

(b) 白鹤滩隐晶质玄武岩

(a) 现场表现

(b) 力学解释

采用平面应变模型对厂房开挖进行数值模拟分析，见图5。图5概化描述了典型部位围岩应力路径一般性演变过程的特点，可帮助进一步认识应力型、应力型松弛和单一松弛型这3种典型破坏形式的应力机制及其差异。

开挖过程中，顶拱部位依次经历破裂损伤直至屈服破坏的应力集中作用过程，随后，其应力水平因岩体强度降低及应力集中区向深部迁移而降低。边墙部位也因拐角结构效应具有形成应力集中的条件，且可因应力水平超过岩体起裂强度甚至达到屈服条件而产生破裂损伤。随开挖底板落底使得该部位边墙处于临空(围压解除)，其应力又得以快速释放，在高应力破裂及与洞轴线小角度相交的原生陡倾结构面的组合作用下，高边墙部位岩体进而演变为单一松弛型变形破坏问题。与应力型松弛破坏不同，单一松弛型破坏的基本特点是无应力集中导致岩石破裂的作用过程，现实中岩体破坏主要因结构面张开、错动导致形成变形失稳风险。

厂房顶拱围岩高应力破坏本质是来自于应力水平与岩石材料非线性力学特征矛盾作用的结果，而边墙应力型松弛变形破坏则是在高应力致裂作用基础上进一步综合了强烈的应力释放效应及其结构面条件的影响。

图5 典型岩体破坏的开挖应力路径

2.3 错动带影响

错动带对白鹤滩水电站地下厂房的直接影响是破坏了围岩的完整性；其次，错动带是岩石向土转化的中间产物[14]，其物理力学性状较差，强度条件介于岩体和土之间；此外，因构造活动作用，诸如错动带C4在漫长地质演化过程中还在其附近一定范围内形成局部影响带，现场表现出较为突出的高应力异常现象。总体而言，错动带自身具有的几何不连续性、较差的强度条件及其导致的应力异常环境，是其对厂房围岩稳定性产生不利影响的主要作用条件。

主要错动带C2、C4分别呈缓倾状，揭露于左、右岸地下厂房的边墙与拱顶部位，走向与厂房轴线均呈小角度相交。构造应力环境、岩体质量、洞室布置方向与结构形态决定了厂房围岩稳定特征的总体格局。这一整体格局可以因错动带揭露与作用而得到改变，且错动带的影响作用机制与其揭露位置密切相关，如图6所示。

(a) 无错动带 (b) 错动带影响

左岸厂房在落底开挖过程中，边墙逐步临空、围岩应力松弛，形成应力型松弛变形。同时，边墙部位在竖直方向得以逐步揭露的缓倾错动带C2因性状软弱，在卸荷条件下易产生非连续错动变形，反过来进一步加剧了边墙围岩的应力松弛程度及其变形破坏风险。且C2在下游侧边墙部位缓倾向开挖面内，该侧边墙、C2上盘围岩的应力松弛程度较上游侧边墙的更为突出。总体而言，在C2参与作用条件下，卸荷松弛是边墙围岩在开挖过程中的主要响应方式，高应力作用起相对次要作用。此外，由于与主厂房整体呈缓倾交切关系，C2对边墙变形稳定的影响与其揭露范围密切相关。现场监测成果表明，C2错动变形水平和范围具有随开挖揭露范围增大而持续增加的基本特点。

错动带C4缓倾揭露于右岸地下厂房小桩号顶拱部位，在厂房第Ⅶ层开挖过程中，错动带影响洞段在顶拱部位出现破裂鼓胀变形破坏，且其中的锚索荷载突增，如图7所示。究其原因，尽管C4破坏了顶拱围岩的整体性，但由于顶拱层拱效应特征明显，依然具备形成应力叠加的结构性条件[15]。在落底开挖过程中，顶拱应力集中区向深部迁移，当其与C4应力异常带形成高应力叠加作用时，可加剧围岩的高应力破坏风险甚至导致破坏现象的发生。因此，在拱效应、高应力因素综合作用下，C4揭露部位围岩的破坏形式有异于常规低应力环境下的重力驱动型块体破坏形式。

图7 错动带C4导致厂房顶拱层破裂鼓胀破坏

以经合理性论证的基本地质条件作为条件，采用数值方法对错动带影响条件下的左、右岸厂房开挖进行模拟分析，定性验证和量化错动带的影响机制和程度，计算结果如图8所示。经分析可知，当厂房开挖完成后，在左岸厂房下游侧边墙围岩浅层，沿C2形成的剪切错动变形普遍达到50～80 mm，局部大于90 mm，且错动带变形影响范围突出，深部错动变形亦可达到40～50 mm；C2以倾向围岩内部的方式交切于上游侧边墙，该交切关系决定了C2错动变形程度相对较小，对围岩变形稳定的影响程度不如揭露于下游侧边墙时的情形。由于C4存在应力异常，当揭露于右岸顶拱层时，可在其影响部位与开挖二次应力形成叠加效应，加剧围岩高应力破坏风险和程度。

(a) 错动变形

(b) 应力

2.4 工程意义

在白鹤滩左、右岸地下厂房开挖过程中，错动带C2、C4分别以产生非连续错动变形及应力叠加作用的方式加剧左岸厂房高边墙围岩的应力松弛变形破坏风险和右岸厂房顶拱层围岩的高应力破坏风险。对这些不利影响进行有效控制，是决定白鹤滩水电站地下厂房建设成败的关键。

在洞轴线布置及结构方案既定的前提下，在岩石力学层面应依据不同部位岩体基本破坏机制和地质缺陷对其影响特点制定针对性控制措施和开挖方案，以期降低错动带的不利作用、维持围岩稳定性。

3 工程措施

在战略层面，白鹤滩水电站地下厂房工程总体遵循地下工程普遍采用的“系统喷锚支护为主，局部加强或辅以钢筋混凝土衬砌”及“立体多层次、平面多工序”的基本支护设计与施工原则。施工原则总体借鉴了国内大型水电工程建设经验。在系统支护设计基础上，依据边墙和顶拱部位围岩开挖力学响应机制和错动带C2、C4影响特点，采取针对性组合控制措施，充分体现白鹤滩地下工程的自身特点，本章进一步对此作重点介绍。

3.1 错动带C2不连续变形组合控制

依据左岸边墙围岩在主厂房开挖过程中的基本力学响应机制(应力松弛)和错动带C2非连续变形及作用特点，创新地采用不连续变形组合控制技术，其构成及技术特点包括：

1)深部变形控制措施。由主洞+支洞联合抗剪的预置换加强钢筋混凝土结构(置换洞主洞尺寸为6 m×6 m)和追踪错动带走向的上下盘岩体深层锚索构成，如图9所示。其中，锚索布置应根据置换洞实际开挖坡度确定。置换洞与沿其轴向及上下布置的分散型预应力锚索形成联合承载系统，前者为抑制剪切带错动变形提供被动型抗力，预应力锚索侧重以主动方式为错动带及围岩提供围压，二者综合起到维持错动带剪切强度及围岩强度条件，控制C2深层错动变形和限制上盘岩体屈服范围的作用。

图9 C2深部剪切错动变形控制措施(单位： cm)

2)浅层变形控制措施。洞室高边墙沿错动带出露迹线采用锚筋桩交叉锁口技术，限制浅层围岩不连续变形，降低或避免错动带影响区浅层围岩变形破坏风险，如图10所示。该措施主要由交叉布置的锚筋桩和预应力锚杆构成，其作用机制亦在于以主动或被动方式为维持浅层部位错动带及围岩强度条件提供围压。剪切带力学性质不仅与其物理性质(矿物成分、颗粒分布和化学成分)和应力环境相关，也受赋存地下水环境影响[16]。为避免C2错动层因地下水作用导致软化，沿其走向同时布置了排水系统。

以上方案，重点依据上游侧边墙变形特点而制定。因交切方位性质的不同，错动层C2对上游侧边墙围岩的不利影响不如对下游侧的突出(见图8)，因此，上游侧实际采用的控制措施在细节上存在一定差异，特别是深部变形控制措施未设置抗剪支洞。

图10 浅层应力松弛变形控制措施

3.2 错动带C4高应力破坏组合控制

在高应力条件下，脆性硬质围岩开挖二次应力超过其起裂强度导致破裂、达到峰值强度形成破坏乃至强度急剧降低是难以避免的客观现实。浅层围岩受高应力作用易于产生屈服破坏形成破裂鼓胀变形，而深部岩体则因应力向深部围岩迁移引起破裂损伤。白鹤滩玄武岩脆性特性突出，破裂还可呈时效性长期扩展，进一步导致深部岩体发生破坏。因此，要求支护结构能够限制高应力破坏的程度、范围以及破裂时效性，保证围岩和支护安全性的同时满足稳定要求。

综上，高应力条件下围岩支护应能发挥2个方面的核心作用: 1)尽可能维持围岩的围压环境，在保持围岩承载能力的同时，抑制时效性破裂扩展，起“加固”作用； 2)对于浅表破裂松弛围岩起到“兜网”或“维持”作用，避免这部分围岩破坏，如图11所示。一般而言，最常见的锚固支护(锚杆/索)和表面支护(网、喷层)可分别满足这2个方面的要求。

图11 针对高应力问题的围岩支护方法

高应力破坏是在白鹤滩地下厂房工程建设中面临的首要岩石力学问题。实践中，依据其力学机制及对支护结构的要求，确定以下基本支护设计原则：

1)充分发挥围岩本身的自承能力，围岩支护遵循以“喷锚支护为主，钢筋拱肋支护为辅”的设计原则。

2)采用喷混凝土+挂网+锚杆快速施工限制浅层围岩松弛开裂，预应力锚索控制深层破裂变形的组合支护设计原则。

3)强调“喷混凝土+挂网+锚杆、锚索快速施工”的及时性，即主动控制围岩破裂变形的设计支护原则。

上述支护原则对C4应力异常影响顶拱部位的支护设计同样适用。为控制破裂扩展及破裂鼓胀变形，基于一般洞段顶拱支护设计方案对错动带揭露影响部位进行锚杆、锚索加密处理，并有条件地使用喷纳米钢纤维混凝土措施。

4 左岸厂房稳定性综合评价

遵循“立体多层次、平面多工序”施工方法及“系统喷锚支护为主，局部加强或辅以钢筋混凝土衬砌”支护设计原则，结合施工期安全监测以及围岩稳定性数值计算反馈分析实现支护结构动态调整，白鹤滩两岸主厂房顶拱高应力和边墙松弛变形问题总体上得以有效控制。依据错动带C2、C4揭露部位及作用机制特点，针对性制定差异化组合控制措施，其在高边墙、顶拱层影响部位的围岩稳定性也同时得到保证。

目前，白鹤滩水电站地下洞室群主体工程已完成开挖支护。监测数据显示，左岸厂房高边墙错动带C2揭露部位的围岩变形和支护结构受力均已经稳定。图12示出布置于左岸主厂房3#母线洞处INzmd3-0+023-1测斜管监测获得的主方向位移量-深度曲线。图12显示，该部位错动带C2剪切变形自2018年开始逐渐达到收敛状态，上、下盘最大剪切位移约为39.06 mm，证明构建的错动带不连续变形控制技术效果显著。同时，在右岸厂房端部小桩号部位布置的穿过错动带C4的锚索应力计监测成果也揭示，锚索受力未出现超限情况(设计荷载2 500 kN)。

综合利用基本工程条件、现场变形破坏现象和监测数据开展围岩稳定性数值反馈分析的方法，在白鹤滩水电站地下工程施工过程中得到普遍应用。主要体现了2个方面的工程价值： 1)可以通过再现、复制破坏现象并监测数据认识围岩变形破坏机制(见图8)； 2)帮助预测、验证围岩稳定性条件及包括支护结构在内的工程措施的经济有效性。

图12 3#母线洞INzmd3-0+023-1测斜管主方向位移量-深度曲线

针对错动带影响及围岩稳定性的反馈分析表明，主厂房常规支护及针对错动带影响的组合控制措施能够保证厂房围岩稳定。在预先置换混凝土主洞+支洞组合强化措施作用下，C2错动变形局部大于75 mm，一般为35～60 mm。比较图8结果可见，浅层错动变形量减小10～20 mm，且置换洞阻断了错动变形向深部扩展；右岸厂房小桩号C4影响部位锚杆承载也未出现超限情况。反馈分析结果在定性与定量2方面均与上述监测数据一致。

5 结论与讨论

1)白鹤滩左厂边墙和右厂房顶拱分别揭露有错动带C2、C4，依据现场现象和监测成果，采用岩石力学理论分析和数值计算相结合的方法研究了厂房围岩受错动带影响机制。研究表明： 沿C2产生的错动变形加剧了左厂边墙应力松弛； C4存在的构造应力异常可与开挖二次应力在右厂顶拱层形成应力叠加效应，提高了围岩高应力破坏风险。

2)依据C2影响机制和变形特点，创新性采用主洞+支洞联合抗剪、交叉锁口组合措施控制C2剪切错动变形，降低右厂高边墙深部和浅层围岩的应力型松弛变形破坏风险。两侧边墙控制措施设置在细节上应存在区别，以体现C2揭露条件不同及由此带来的影响差异。

3)基于系统支护设计方案，对错动带C4在右岸厂房顶拱层揭露及影响部位强化表面支护，同时进行锚杆、锚索加密处理。前者对浅层破裂鼓胀变形破坏围岩起“维持”作用，后者可控制深部围岩高应力破裂的时效扩展，起到“加固”作用。

4)现场监测数据和数值反馈分析表明，系统支护设计方案和错动带影响组合控制措施可控制两岸主厂围岩变形、保持稳定。目前，围岩变形和支护结构受力均已达到稳定状态。

5)本文主要讨论了施工期厂房围岩在错动带影响条件下的稳定性，而错动带泥岩夹层变形和顶拱硬质岩石强度具有的时效特性及其对围岩和支护系统长期安全的影响需要进一步深入研究。