考虑围岩EDZ的高地应力地下厂房变形反馈分析

谭 洲 李 彪 殷修宇 吴 楠 李 鹏

（1.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610065；2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院，四川 成都 610562；3.国家能源集团金沙江旭龙水电开发有限公司，四川 德荣 627950；4.四川大渡河双江口水电开发有限公司，四川 马尔康 624099）

0 引 言

水电开发是保障能源转型、实现双碳目标的关键，在向地球深部进军的战略背景下，我国西南地区水电地下工程不断纵向发展。深部岩体受开挖卸荷强度、地应力水平、地质构造等影响使得围岩变形破坏机理十分复杂，经研究发现，岩体的宏观变形破坏是其破裂损伤渐进演化的结果[1]。地下洞室开挖卸荷过程围岩受到爆破动力荷载、卸荷作用和应力重分布的影响，围岩应力状态发生明显变化，局部区域应力集中和能量聚集超过围岩自身强度时，将导致岩石内部新破裂的形成和原破裂的发展，在临空面周围形成一个损伤区域。

由于西南地区特殊的地理环境，深部岩体大都处在高地应力环境中，在这种环境下，围岩受开挖卸荷扰动，倘若支护措施不及时或强度不够，岩体损伤将会加剧，导致围岩EDZ（EDZ指开挖扰动或损坏区）进一步扩展，严重影响地下洞室稳定性。如白鹤滩[2]、猴子岩[3]、双江口[4]等水电站地下厂房，都因岩体损伤问题引发过严重的围岩失稳破坏，这些破坏的实质是岩体所处复杂地应力环境和开挖卸荷扰动联合作用引发的围岩内部微破裂损伤发育、累积。深埋大型地下洞室群开挖卸荷过程中，由岩体力学参数劣化形成的围岩EDZ，会直接影响洞室围岩稳定和安全。因此，对深部地下洞室EDZ的研究成为水电工程领域研究的重点。

目前，国内外许多学者通过各种现场监测手段对围岩EDZ进行了研究。Sato等[5]在Tono矿区隧道爆破开挖过程中进行了包括位移监测、压水试验等在内的多种现场实验，研究表明开挖方式是影响围岩EDZ范围的重要因素。Falls等[6]利用声波测试法研究了在不同应力水平影响下的各种开挖方式对洞室围岩EDZ 的影响特征。Maxwel等[7]利用声波测试、地震折射等方法，确定了EDZ的范围和损伤程度。

对于围岩EDZ的研究，除了现场监测之外，数值模拟也是最常用的手段。Wang等[8]运用RFPA有限元程序，研究了分均质性和各向异性对隧洞EDZ的影响。Shen等[9]采用UDEC离散元方法，研究了节理间距对EDZ形状的影响。严鹏等[10]利用颗粒流程序（PFC）软件，研究了深埋隧洞爆破开挖围岩损伤特性和机制。

基于以上认识和研究，本文以国内鲜有的高～极高地应力条件下的大渡河双江口水电站地下厂房为研究对象，将围岩EDZ信息嵌入地下厂房三维数值模型中，计算分析围岩损伤对围岩变形的影响，实现考虑围岩EDZ影响的地下洞室围岩稳定性反馈分析。

1 工程概况

双江口水电站位于四川省大渡河流域上游，是大渡河流域水电梯级开发的关键性工程之一。双江口水库为干流控制性水库，坝址处控制流域面积39330km2，水库正常蓄水位2500m。堆石坝最大坝高314m，对应库容约28.97亿m3，具有年调节能力，电站装机容量2000MW。

双江口水电站左岸地下厂房属于典型高地应力深埋地下厂房，3#机组中心距坝轴线约85m，厂房纵轴线方向为N10°W。主厂房最小水平埋深约400m，垂直埋深约320～500m。主机间、副厂房和安装间呈“一”字型布置。在SPD9平硐施工中，片帮剥离现象较普遍，随洞深的不断增加，主应力值呈现上升趋势，到达400m处时上升至37.82MPa，此阶段处于高～极高地应力带。在洞深400m以后，倾角变缓，以水平应力占主导，最大主应力值介于20～30MPa之间。

2 考虑围岩EDZ的高地应力地下厂房变形反馈分析

2.1 考虑围岩EDZ的本构模型

岩体的弹性模量和泊松比是描述岩体抗变形能力的力学性质指标，与波速密切相关。在弹性介质中，通过波速可以计算出岩体的弹性模量E和泊松比μ。岩体的纵波波速Vp、横波波速Vs与弹性模量E、密度ρ和泊松比μ之间有如下关系：

由于横波不能在液体中传播，容易产生测试误差，所以，在岩体力学中，一般采用纵波波速来建立与弹性模量之间的关系。

而工程实践中发现岩体的泊松比相对稳定，可以视为定值。所以将，则有：

因此，通过式1～5，可以将测得的围岩不同部位波速转化为弹性模量，并依据该弹性模量在数值模型中进行强度折减。

2.2 考虑围岩EDZ的地下厂房数值模型

双江口水电站地下厂房布置在左岸400～600m山体内，厂房总长度219.48m，顶拱高程2269.47m。对地下厂房有影响的小断层发育两条：SPD9-f1、SPD9-f2，在副厂房区域有煌斑岩脉出露。以厂房为中心选取600m×385m的区域作为模型的计算区域，模型最大高度为850m。模型所处的围岩等级分为Ⅲ～Ⅴ级，其中主要为Ⅲa级，且考虑了断层SPD9-f1、SPD9-f2、煌斑岩脉等软弱破碎带的影响。

将现场实测的围岩声波数据，利用公式（1～5）确定松弛范围内岩体劣化程度并在FLAC3D计算时劣化对应范围的岩体参数。达到地下厂房模型嵌入围岩EDZ 的目的，厂区整体模型如图1所示，其中的主厂房和嵌入的围岩EDZ模型如图2所示。

图1 厂区整体三维数值模型

图2 地下厂房数值模型

2.3 计算结果分析

由于双江口水电站地下厂房（厂横）0+120.00m断面附近有煌斑岩脉出露，附近开挖位移和应力较大，利于数值计算和对比研究，因此本文选取该典型断面进行研究。通过考虑围岩EDZ影响的地下厂房模型模拟厂房一层开挖，并结合项目现场实测资料，设置“考虑围岩EDZ影响的数值模型”和“未考虑围岩EDZ影响的数值模型”两组情况进行对照，并在厂房一层拱顶和上、下游拱脚岩体10m范围内，每隔0.2m设置一个监测点（如图3）。基于计算后围岩的位移和应力结果，揭示地下厂房围岩损伤对围岩的影响。

图3 监测点布置图

图4给出了“考虑围岩EDZ影响的数值模型”和“未考虑围岩EDZ影响的数值模型”两组情况下地下厂房一层模拟开挖后的位移特征，并通过设置的监测点得出了两种情况下的一层开挖拱顶和上、下游拱脚孔口的计算位移（见表1）。

表1 两组情况厂房第一层开挖典型部位孔口位移值

图4 两组情况厂房第一层开挖位移特征

从图4中可以看出，不论是否考虑了围岩EDZ的影响，主厂房下游区域均出现明显的深部围岩变形，并且围岩的变形特征相同。从表1中可以看出在“未考虑围岩EDZ影响的数值模型”情况下的位移最大的部位是下游拱脚，为10.32mm，其次是拱顶，位移值为9.47mm，最后是上游拱脚，位移值为7.66mm。而在“考虑围岩EDZ影响的数值模型”情况下的拱顶、上游拱脚位移比“未考虑围岩EDZ影响的数值模型”的情况增长了3mm左右，且在“考虑围岩EDZ影响的数值模型”情况下下游拱脚位移增长更加明显，比“未考虑围岩EDZ影响的数值模型”的情况增长了7mm左右。可以看出，当考虑了围岩开挖的损伤效应情况，厂房开挖后围岩的最大位移值也随之增加，但发生最大位移的部位没有明显的改变，并且由于不良地质的影响，考虑围岩开挖的损伤效应会使变形更大的部位损伤加剧。

图5给出了“考虑围岩EDZ影响的数值模型”和“未考虑围岩EDZ影响的数值模型”两组情况下厂房一层模拟开挖后的应力特征，同样通过设置的监测点得出了两种情况下拱顶和上、下游拱脚孔口的计算应力（见表2）。

表2 两组情况厂房第一层开挖典型部位孔口应力值

图5 两组情况主厂房第一层开挖应力特征

从图5中可以看出，洞室整体应力水平较高，两组计算结果所表现出来的应力特征同围岩的变形特征一致。从表2中可以看出，在“未考虑围岩EDZ影响的数值模型”情况下下游拱脚的计算应力为4.65MPa，是应力集中最大的区域，拱顶的计算应力为3.42MPa，上游拱脚的计算应力为2.01MPa。而在“考虑围岩EDZ影响的数值模型”的情况下的拱顶、上游拱脚位移比“未考虑围岩EDZ影响的数值模型”的情况增长了1MPa左右，且在“考虑围岩EDZ影响的数值模型”情况下下游拱脚位移比“未考虑围岩EDZ影响的数值模型”的情况增长了2.5MPa左右。可以看出，当考虑了围岩开挖的损伤效应情况，厂房开挖后围岩的最大应力值同样会随之增加，发生最大位移的部位也没有明显的改变，并且由于不良地质的影响，考虑围岩开挖的损伤效应会使应力集中的部位损伤加剧。

综上可知，地下洞室开挖卸荷引发的围岩EDZ可能会引起浅层围岩较大程度的损伤，造成岩体力学性能降低，从而导致围岩较大幅度的变形增长，影响洞室施工与运行稳定性。因此，工程建设过程中，需严格防控洞室开挖卸荷所造成的围岩损伤，及时采取加固措施，避免围岩损伤导致的外观变形持续增长。

3 结束语

本文以国内鲜有高地应力条件下的双江口水电站地下厂房为研究对象，基于圈定的围岩EDZ以及EDZ范围内岩体参数的劣化尺度，在数值模拟中进行了在考虑围岩EDZ影响的高地应力地下厂房围岩变形反馈分析。主要结论如下：

开展考虑围岩EDZ影响的高地应力地下厂房变形反馈分析，基于圈定的围岩EDZ以及EDZ岩体参数劣化尺度，将EDZ影响考虑进数值模型中进行定量研究，设置考虑围岩EDZ影响和未考虑围岩EDZ影响两个对照组。计算结果表明受煌斑岩脉的影响下两组情况所表现出的位移和应力特征基本一致，即厂房下游围岩损伤比上游更严重，而对比未考虑围岩EDZ 影响的情况，考虑了围岩EDZ影响的数值模型在计算后位移和应力更为显著，并且考虑了围岩EDZ影响会使原本损伤严重的部位损伤进一步加剧。