丰宁抽水蓄能电站地下厂房施工期洞室群围岩变形机理研究

2022-11-04黄子康王兰普马雨峰孔张宇吕风英

华北科技学院学报 2022年5期

王波，黄子康，王兰普，马雨峰，孔张宇，吕风英

(1. 华北科技学院应急技术与管理学院，北京东燕郊 065201；2. 河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北丰宁 068350)

0 引言

河北丰宁抽水蓄能电站地下厂房洞室群开挖规模大，在施工开挖过程中，陆续揭示了岩体蚀变带和较多长大裂隙，不仅削弱了围岩的整体强度，也降低了岩体完整性，导致围岩变形量大，并且开挖后变形缓慢增长，收敛较慢，给支护造成了极大的困难，因此，明确地下厂房洞室群的围岩变形机制，为地下洞室的长期稳定判断提供依据具有重要的现实意义。

针对地下厂房围岩变形相关课题，大量学者进行了许多有意义的研究，赵金帅、陈炳瑞、江权等[1]得出了爆破开挖会引发地下厂房围岩应力和变形的增长，且围岩变形与其内部微破裂具有协调性关系的结论；郑咏琎、何建华[2]结合叶巴滩水电站地质情况，对厂房顶拱围岩的位移，应力分布等特征进行了分析，并得出了厂房顶拱的开挖支护设计方案；李治国、罗乾坤[3]针对猴子岩水电站在开挖过程中出现的上游拱脚和边墙围岩变形破坏现象，得出对洞室拱脚和边墙相应部位进行加强支护可以有效保证洞室的整体稳定性；韩前龙、张国强[4]结合乌江彭水水电站地下厂房工程实例，研究发现了地下水位变化对围岩稳定性存在影响，并在此基础上给出了围岩稳定性的评价结论；何世海、陈建林等[5]以白鹤滩水电站地下洞室为例探讨了洞室群围岩应力集中、破裂扩展和时效变形的分布特征，诠释了“深层变形”的成因机理，为顶拱围岩异常监测变形的产生机制提供了合理解释；钱波、徐奴文、肖培伟等[6]通过引入分形-岩石力学理论，揭示了围岩渐进损伤直至宏观变形全过程分形维值演化规律；杜鑫，陈斌，章环境等[7]在对杨房沟水电站地下洞室位移和应力量级、应力分布特征、应力变化规律及其影响因素分析的基础上，评价了地下厂房施工期围岩的稳定性；董志宏、钮新强、丁秀丽等[8]得出了乌东德水电站左岸地下厂房巨型洞室围岩变形的开挖时空变化规律、浅层锚杆与深层锚索对岩体结构控制效应；胡中华、徐奴文、戴峰等[9]得出了乌东德水电站右岸地下厂房洞室围岩以结构面控制的应力驱动型张拉破坏为主，并伴随少量重力驱动型变形的结论；刘健、朱赵辉、蔡浩等[10]结合施工地质相关资料对白鹤滩水电站地下厂房拱圈围岩进行了围岩变形分析，得出了其变形破坏模式、空间分布特征以及演化机制。

本文以河北丰宁抽水蓄能电站一期地下厂房洞室群开挖为工程背景，结合施工地质条件，总结了一期地下厂房施工期洞室群围岩变形监测结果，分析了地质条件对围岩变形的影响，采用块体理论对不利结构面组合切割形成的定位块体进行识别和稳定性分析，最终阐明了导致围岩变形的量值特征、分布规律和时效特征的主要原因，明确了地下厂房洞室群的围岩变形机制，研究成果能够为保障丰宁抽水蓄能电站地下厂房的长期稳定提供依据。

1 一期地下厂房施工期洞室群围岩变形监测

1.1 一期地下厂房施工期洞室群围岩变形监测布置

一期主厂房和主变室共布置了7个系统性监测断面[11-12]，其基本信息见表1。监测断面的平面布置如图1所示，其中主厂房及主变室6个断面的测点布置如图2所示。

表1 一期地下厂房系统监测仪器布置断面基本信息

图1 一期地下厂房监测断面图

图2 主厂房及主变室各个断面的测点布置图

图2 主厂房及主变室各个断面的测点布置图(续)

1.2 一期地下厂房施工期洞室群围岩变形结果分析

表2为一期主厂房围岩变形监测结果，通过分析可知：截至2019年5月25日，厂左0+96截面的下游边墙991 m高程部位围岩变形值最大，为86.06 mm。分析不同截面的围岩变形量，厂左0+0(1#机)、厂左0+48(3#机)和厂左0+96(5#机)截面均有变形量值超过60 mm的测点，总体较大。

表2 一期主厂房围岩变形监测结果

表3为一期主变室围岩变形监测结果，通过分析可知：截至2019年5月25日，一期主变室厂左0+48截面的上游边墙1000 m高程的围岩变形量最大，为84.10 mm。分析不同截面的围岩变形量，厂左0+0(1#机组)～厂左0+96(5#机组)截面均有变形量值超过70 mm的测点，总体较大。

表3 一期主变室围岩变形监测结果

2 地质条件对围岩变形的影响分析

选取变形监测值较大的厂左0+48(3#机组)截面进一步分析围岩变形的量值与分布特征与地质条件的关系。表2为该截面的不利地质条件汇总，图3为该截面内结构面分布图，图4为该截面内不同深度围岩变形与结构面分布的位置关系，图5为该截面内的Ⅳ类围岩及围岩存在岩体蚀变的区域。花岗岩体中蚀变岩发育，在构造带附近尤为严重，主要表现为体强度降低，岩石中的石英、长石等矿物蚀变，这种粗粒花岗岩，岩质坚硬，呈灰白色或肉红色，碎裂结构，块状构造。

图3 厂左0+48截面(II-II截面，3#机组)内洞周结构面分布图

图4 厂左0+48截面(II-II截面，3#机组)内不同深度围岩变形与结构面分布的位置关系

可见，围岩内部一定深度所发生的变形，与结构面的分布具有显著的对应关系。见图5中圆框，表明围岩内一定深度部位产生的变形，均与通过该部位的结构面具有对应性。由此，可知围岩内部结构面因张开或错动，在一定深度内的围岩层面附近产生了不连续变形，从而导致开挖面围岩变形增大。

通过表4可以确定厂左0+48监测截面内围岩发生蚀变的主要区域，通过图5可知主厂房上游边墙下部、主厂房下游边墙上部、主变室顶拱以及主变室上游边墙区域均有蚀变岩体的分布。对比蚀变岩体附近区域的围岩变形监测数据，可知岩体蚀变后，将引起浅表层围岩变形的增加，并使边墙部位的围岩变形监测曲线呈现如图6所示的时效特征，即开挖完成后围岩变形收敛缓慢，需要较长时间才能逐渐稳定。这些岩体蚀变区域也与地质在施工阶段给出的Ⅳ类围岩分布部位基本一致，表明岩体蚀变将引起围岩分类的降低和岩体力学参数的减小，从而引起围岩变形增大。

表4 厂左0+48(3#机组)不利地质条件汇总

图5 厂左0+48截面(II-II截面，3#机组)内Ⅳ类围岩和蚀变岩体分布特征

图6 II-II断面M2-4多点位移计监测时程曲线(厂左0+48、3#机组段主厂房上游边墙999 m高程)

3 主厂房及主变室围岩变形规律分析

图7为主厂房监测点1的变形曲线图，在该监测点监测期间经历了第VI层开挖阶段至第Ⅷ层开挖完成三次开挖阶段，其中第VI层开挖阶段对其影响较大，不同深度的四个监测点变形量都出现了不同程度的跃升，测点深度19.5 m及测点深度10 m两个监测点变形量较大，分别增长至24 mm及70 mm左右，后续开挖阶段对其影响较小，经历长达一年的长期流变，两个监测点最终变形量分别为26.76 mm、80.88 mm。

图7 监测点1围岩流变曲线图

图8为主厂监测点2的变形曲线图，可以看出前期开挖阶段对围岩变形产生较大影响，后续随着时间推移围岩变形逐渐减小，变形状态表现出明显的时间效应，监测点经历了第Ⅲ层开挖阶段至第Ⅷ层开挖结束共六次开挖阶段，其中在第Ⅳ层开挖阶段对其影响较大，测点深度16 m监测点变形量较大，后续开挖阶段对其影响较小，在经历长达一年的长期流变，监测点最终变形量为76.40 mm。

图8 监测点2围岩流变曲线图

主变室监测点3围岩全程流变过程如图9所示。主变室M3-12监测点是Ⅳ类围岩监测最大变形位置，孔口2 m处最终变形量达100.5 mm，通过M3-12监测点附近围岩全程变形曲线可以看出，由于该处围岩力学性质较为软弱，其变形规律具有明显的时间效应，即围岩变形与时间因素有关，Ⅳ类围岩具有较强的流变性，M3-12监测点附近围岩在监测初期流变变形量较大，0-50d时间内围岩变形曲线迅速增长，最大变形量达到80 mm，随后变形逐渐稳定，在500d时围岩变形量再次快速增长，此时正处于主变室开挖时期，主变室的开挖扰动影响了监测点3附近围岩，导致其变形量二次升高，最终总变形量达到100 mm左右，围岩流变变形逐渐趋于稳定。

图9 监测点3围岩流变曲线图

图10为主变室监测点4围岩流变曲线图，M3-13最终变形量为75.8 mm，该监测点变形曲线同样表现出较强的时间效应。监测点4在监测初期增长迅速，在300d附近时变形量出现跃升，在测点深度0 m处最大变形量为76.5 mm，随后该监测点附近围岩变形曲线出现较为明显的衰减。岩石变形量逐渐减小并最终趋于稳定，最终变形量为75.8 mm。在测点深度6 m、13 m处这种现象更为明显，这说明该处监测点围岩在地应力及开挖作用下仍处于弹性或弹塑性变形阶段，这种变形具有可逆性。在0-400d阶段所受应变较大，故围岩发生应变也较大，当开挖导致的地应力逐渐趋于稳定，该处围岩应力逐渐减小，围岩应变也随时间逐渐恢复。

图10 监测点4围岩流变曲线图

通过对Ⅳ类围岩现场监测分析表明，Ⅳ类围岩变形具有强烈的时间效应，较Ⅲ类岩体变形量加大，影响工程的安全稳定，通过分析认为导致Ⅳ类围岩变形量较大的原因有以下两点：

(1) 应力重分布导致高地应力的出现，由于地下厂房洞室群开挖导致地应力重新分布，地应力的重新分布导致岩体应力状态的改变及应力集中现象的出现，在高应力状态下容易产生较大的位移变形。

(2) Ⅳ类围岩变形具有强烈的时间效应，流变现象较为突出。随着对Ⅳ类围岩的长期监测，发现其具变形具有强烈的时间效应，随着时间呈现出明显的流变特性，若不对其进行合理支护，随着时间的流逝甚至会导致岩石出现严重的大变形及失稳破坏，严重影响工程的安全稳定。

4 地下厂房洞室群围岩潜在块体识别[13]

由图5可知，洞周开挖面围岩被施工期揭示的节理裂隙切割，块体在围岩出露后，可能被开挖面进一步切割，进而形成不稳定块体，诱发局部围岩失稳。因此，洞室块体失稳也是造成围岩变形陡增的一个可能原因。这里根据施工期揭露的厂左0+48截面地质编录结构面信息，对该截面进行潜在块体的搜索和不稳定块体的识别。

在一般意义上，岩体结构是坚硬岩体构成的工程场区稳定性最为重要的保障因素。对于地下厂房的厂左0+48段，裂隙结构面可能相互间切割，是地下厂房围岩岩体结构的一个基本特点。这里，根据实际地质条件，结合现场岩体结构特征，采用块体理论对不利结构面组合切割形成的定位块体进行识别和稳定性分析，其基本流程见图11。

图11 块体识别和稳定性分析流程图

定位块体分析结果的可靠性取决于结构面定位(包括空间位置和产状)和计算参数取值的准确程度，这里所作计算分析的基本依据主要包括：现场地质结构面素描资料、结构面力学参数取值、现场所取得的一些定性认识等，以下块体分析部分，全空间赤平投影分析采用下极点投影，赤平投影计算中不考虑结构面的粘聚力，仅考虑结构面的摩擦作用。

根据施工地质资料，地下厂房的厂左0+48截面区域，其开挖揭露的结构面主要为裂隙刚性结构面，结构面力学取值方案为：粘聚力0.1～0.2 MPa，摩擦系数0.65～0.70。分别对厂左0+48截面区域内的主厂房和主变室进行块体识别和稳定性分析。

(1) 主厂房定位块体识别和稳定性分析

经分析，在主厂房共有2个定位块体(DB1和DB2)，2个块体均位于主厂房的左侧边墙，如图12所示。

图12 主厂房块体位置

对于定位块体DB1，位于主厂房左侧边墙，块体相关结构面信息见表5，通过图13全空间赤平投影分析表明：块体DB1为0110型，即为裂隙L368的上盘、裂隙L246的下盘、裂隙L374的下盘及裂隙L245的上盘，由上述结构面及主厂房边墙组成的块体为稳定块体。通过块体形态分析，得到了块体三维空间几何形态，如图14所示，该块体的体积约为7.74 m3。

表5 块体DB1地质信息表

图13 块体DB1全空间赤平投影图

图14 块体DB1几何形态示意图

定位块体DB2，位于主厂房左侧边墙，块体相关结构面信息见表6。通过图15全空间赤平投影分析表明：块体DB2为0110型，即为裂隙L368的上盘、裂隙L246的下盘、裂隙L369的下盘及裂隙L374的上盘，由上述结构面及主厂房边墙组成的块体为稳定块体。通过块体形态分析，得到了图16块体三维空间几何形态，该块体的体积约为1.67 m3。

图15 块体DB2全空间赤平投影图

图16 块体DB2几何形态示意图

表6 块体DB2地质信息表

根据上述DB1和DB2块体的可能失稳模式、几何形态及力学参数，计算块体的安全系数，结果表明，块体DB1和DB2均为稳定块体。表7为主厂房0+48截面定位块体稳定性分析结果。

表7 块体稳定性分析结果

根据块体理论相关标准，边墙处块体的控制标准为其安全系数不小于1.5，由于定位块体DB1和DB2的埋深较浅(<5 m)，分别计算考虑滑动面粘聚力和不考虑滑动面粘聚力的安全系数，由表5块体稳定性分析结果可知，定位块体DB1和DB2考虑滑动面粘聚力的安全系数分别为14.48和26.77，不考虑滑动面粘聚力的安全系数分别为6.22和10.38，均满足边墙处块体的安全系数控制标准，因此，认为定位块体DB1和DB2为稳定性块体。

(2) 主变室定位块体识别和稳定性分析

通过分析主变室开挖揭露的结构面位置和相互组合关系，发现同一位置一般只发育一组或两组裂隙，仅在右侧边墙上部存在三组裂隙(L104、L105、L106)同时发育且相互切割的情况，通过图17全空间赤平投影分析表明，L104、L105、L106裂隙面组合及右侧边墙未能构成有限块体。