深圳抽水蓄能電站地下廠房圍巖塊體穩定高精度仿真模擬

王國軍，朱煥春，吳國榮，張 敏

(1.廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東廣州 510635;2.Itasca(武漢)咨詢有限公司，湖北武漢 430205)

既往研究和實踐表明，地下工程開挖以后圍巖潛在的三種典型破壞模式分別為塑性大變形、高應力破壞以及塊體失穩，其控制因素分別為軟弱的巖性(軟巖)、深埋條件下的高應力狀態以及結構面。其中塊體失穩破壞多出現在硬質巖石(變形小)、低應力條件(埋深不大)及大跨度開挖條件下，水電站地下廠房基本都選擇在硬質巖石條件下，埋深多在300 m以內，應力水平遠低于巖體峰值強度，廠房較大的開挖跨度(接近30 m)和高度(60～80 m量級)為結構面不利組合塊體不穩定提供了條件。

受場地條件限制，工程前期勘察工作中往往只能依賴鉆孔和探洞獲得廠房區圍巖結構面(斷層、長大裂隙等)的位置和產狀，這些結構面對圍巖塊體穩定的影響程度受到臨空條件，特別是與其他結構面(與隨機節理)組合特征的影響。由于節理產狀、位置等分布特征在空間上的變化性，鉆孔和探洞揭露的節理并不能可靠地延伸到洞室臨空面附近。為此，在過去的研究和實踐過程中，往往采用統計學思想分析和推測節理切割可能形成的塊體分布，其基本技術路線是先對鉆孔和探洞揭露的節理進行統計分析，獲得它們的統計分布特征，然后推廣到三維空間，即生成三維裂隙網絡，從而獲得隨機節理(或同時與確定性結構面組合)切割形成的塊體分布，此時的塊體也稱為隨機塊體。

長期以來，很多研究人員致力于洞室圍巖隨機塊體穩定分析研究。在中國水電工程界，以塊體理論和DDA分析的影響力相對最大，但由于問題的復雜性和DDA分析的二維屬性，這方面的工程應用成果并不多見，也并沒有被工程界普遍接受。在國際上，這類問題多采用三維離散元方法(對應的唯一商業程序為3DEC?? 3DEC v5.0 manual，Itasca Consulting Group，Inc.，2013。)。與DDA相比，此方法不僅能解決三維問題，而且在功能上更完善和更成熟。它不僅可以模擬結構面任意復雜的力學行為(張開、剪切、擠壓)，而且還能模擬塊體的塑性大變形，因此能夠考慮塊體的變形和屈服破壞后的復雜非線性行為。3DEC程序自2004年開始引用到中國水電工程界，先后被應用于向家壩、彭水、廣東惠州抽水蓄能電站、白鶴灘等水電工程地下廠房隨機塊體穩定性的分析評價，這突破了傳統方法的阻礙。

隨機塊體穩定分析存在“隨機”導致的不確定性問題，具體來說，計算結果可以揭示潛在不穩定塊體主要分布區域(頂拱、上游邊墻、下游邊墻等)和對應的控制性優勢節理組，從而能夠在前期工作中很好地滿足系統支護設計。當工程進入施工期以后，設計工作關心的關鍵問題具有確定性特點，即希望明確了解潛在不穩定塊體出現的部位、深度等，以便對這些局部性問題有針對性地優化支護方案。

深圳抽水蓄能電站于2013年3月開始廠房中導洞開挖，開挖以后揭露出節理發育程度相對較高，因此需要論證設計的系統支護是否能夠適應這些變化，以及需要重點加固的具體部位和支護參數。為解決這一問題，工程開挖以后決定開展確定性塊體問題的高精度仿真分析，具體是要求采用早期開挖揭露的節理(真實位置和產狀)，而非采用統計學方法模擬的隨機節理分析評價當前和后期開挖以后圍巖穩定性，并且，隨著開挖進展節理資料的不斷豐富和更新，分析工作也相應地采用符合現場實際的資料，保證數值模擬關鍵性原始資料的高精度。

1 圍巖潛在破壞模式分析判斷

1.1 圍巖破壞形式與判斷準則

地下工程圍巖穩定性取決于三個方面的因素，即巖體基本條件、布置與結構形態設計、施工方法和順序等，其中后兩個屬于人為因素，根據巖體基本條件和工程要求的結構與施工設計，是設計工作的科學合理性所在，其關鍵仍然是對巖體基本條件的理解和合理利用。

影響圍巖穩定的巖體基本條件包括三個控制性因素，即巖性、結構面、地應力，當其中任意一個因素占據優勢性地位時，圍巖潛在問題的性質和表現方式就會發生變化。比如，當巖性軟弱、強度很低時，洞室開挖以后存在塑性大變形、乃至坍塌的風險，此時結構面可以處于非常次要的地位。與之相似，當埋深足夠大以后，即便是硬質巖石，沒有任何結構面，圍巖仍然會發生如巖爆等形式的破壞。當埋深相對較小、地應力水平不高時，硬質巖石條件下地下工程開挖最常見的問題即為塊體破壞。

以上敘述基于定性宏觀判斷，來源于工程實踐總結。一些研究人員在總結這些經驗基礎上，提出了一系列的經驗性判斷準則。對于巖石自然單軸抗壓強度σc＞120 MPa、最低80 MPa的硬質巖石而言，應力型破壞風險程度不僅僅取決于最大主應力σ1的大小，還與最小主應力σ3密切相關，判斷指標SRF可以寫為:

基于該指標的判斷準則如下:

當上述判斷結果中應力型破壞為中、低風險時，結構面的作用相對突出。反之，當存在高風險時，結構面所起作用存在分化現象，總體上因為結構面法向應力水平增高而起到抑制性作用。當某些結構面處于不良受力狀態時，則很容易產生破壞，但表現形式會有明顯差別，不再是簡單的塊體滑移破壞。很多情況下包含剪切、乃至部分完整巖體的剪斷破壞，因此表現出比較劇烈的破壞形式，可以伴隨巖爆現象，斷裂型巖爆就是這種機制的表現形式。

在硬質巖石條件下，當根據上述準則的判斷結果為中等及中等以下的高應力破壞風險時，需要注意結構面切割塊體風險程度。從宏觀角度看，風險程度主要取決于洞室跨度和結構面間距之間的關系。當二者之間達到10∶1時，需要注意塊體破壞風險;當該比值達到20∶1時，其風險程度相對較高，具體需要考察結構面產狀與開挖面的關系，即臨空條件。

1.2 廠房圍巖破壞類型判斷［1－2］

深圳抽水蓄能電站地下廠房長167 m、寬24.5 m、高55 m，圍巖呈微風化—新鮮狀巖石，少弱風化狀，地質構造以陡傾角N40°～50°W小斷層與裂隙為主，構造發育但膠結多致密，次為EW向、少量N60°～70°E向，這些構造與洞軸線N40°E近正交，地下水不發育，圍巖以Ⅱ類為主，局部Ⅲ類。巖石自然單軸抗壓強度σc=90 ～140 MPa，最大主應力 σ1=(11.5 ±0.5)MPa，最小主應力 σ3=(6.0 ±0.5)MPa，計算 SRF ＜0.45，顯示應力型破壞風險程度低，一般不出現應力型破壞，即便在特殊條件下產生這種破壞方式，其程度也相對很弱，以破損為主，不影響圍巖安全和支護設計。

地下廠房區巖體除小型斷裂構造相對發育以外，小型節理亦相對發育，局部洞段密度較大。巖體質量分級成果實際上反映了結構面發育密度，Ⅱ類圍巖條件下結構面相對不發育，間距多在1 m以上，局部Ⅲ類圍巖洞段間距不足0.5 m。根據以上經驗性評價準則，由于廠房跨度大，跨度間距比值普遍＞20∶1，塊體穩定是普遍性存在的潛在問題，但是否成為現實問題主要取決于結構面切割塊體的臨空條件。

1.3 判斷結果實踐驗證

電站地下廠房已經完成第2層開挖，現場觀察到的現象印證了上述判斷結果。

(1)結構面起到控制性作用:現場觀察到的最主要的破壞方式為結構面切割的小型塊體破壞，其次是受結構面切割和爆破影響的局部塊體破壞。從現場情況看，小型塊體破壞主要位于上游邊墻巖錨梁部位，下游邊墻上較少，受節理產狀和臨空條件的影響非常明顯。如圖1所示，上游邊墻巖錨梁部位開挖以后增大了局部臨空面，兩組節理交切形成的塊體因為完全臨空在開挖過程中即產生了滑移破壞，代表了廠房區圍巖破壞的基本規律。廠房圍巖以陡傾節理發育，缺少緩傾節理切割，塊體破壞現場并不普遍，廠房圍巖保持良好的穩定狀態。

(2)局部出現輕微高應力破壞:總體而言廠房開挖以后基本觀察不到高應力破壞跡象，僅在第2層開挖以后上游底腳處一些特定部位可以觀察到高應力導致的破裂，見圖2。導致這種破壞現象除與局部地質條件的變化有關以外，另一個因素是第2層開挖完成以后斷面形態，強烈的拐角導致了比正常條件下更強的應力集中現象。

圖1 第2層開挖完成以后結構面切割小楔形體破壞現象Fig.1 Wedge-shaped breaks of structural surface after excavation of the 2nd layer

圖2 第2層開挖完成以后強烈拐角部位局部應力集中現象概化圖(左)與現場觀察到的破壞現象(中、右)Fig.2 Generalized model of the concentrated local stress after excavation of the 2nd layer(left)and the scenes of destruction(middle＆right)

圖2 表示了這些應力型破裂現象的發生條件和形態，左圖示意性體顯示了第2層開挖完成以后開挖區剖面形態和拐角應力集中，受最大主應力方位影響，應力集中區出現在上游側拱腳部位(下游邊墻則位于拱肩)。現場在幾個部位觀察到了密集的小型破裂，這些破裂均呈新鮮狀、無風化和充填，產狀上與構造節理不一致，且均可以觀察到不同程度的弧形形態，屬于典型的拐角應力集中導致的破裂。

現場注意到這些破裂現象的有條件性，并不是普遍存在，往往與局部條件變化有關。同時，破裂程度很輕，正常的噴錨支護完全可以應對，不影響到支護設計。

2 塊體穩定仿真模擬［3－4］

塊體穩定仿真計算是將現場施工編錄獲得的節理真實位置和產狀信息作為穩定分析的基礎資料，即利用這些信息生成確定性的三維裂隙網絡，開展塊體穩定性計算，見圖3-圖5。

圖3 第1層開挖完成以后節理編錄結果(左)和采用3DEC模擬的空間分布(右)Fig.3 Joint recordings(left)and spatial distribution using 3DEC simulation fter excavation of the first layer

圖3 表示上述技術路線的實際應用，左圖為第1層開挖以后地質編錄結果，包括每一條結構面(斷層和節理)的位置、產狀和出露長度;右圖是采用3DEC模擬結果，除延伸長度以外，其他所有結構面的信息與編錄結果相同。計算模型中假設所有節理都貫穿廠房整個高程范圍。采用該假設是因為當時現場開挖高度有限，不能可靠揭示結構面延伸長度，高估延伸范圍是出于工程安全的考慮。

圖4表示該模型計算結果，計算中模擬廠房分步開挖(未模擬支護)，目的是揭示潛在不穩定塊體的分布位置和潛在失穩發生的時機。

計算結果顯示，即便廠房區結構面相對發育，但頂拱穩定條件良好。不論是早期開挖(如第1、2步開挖完成)，還是在廠房開挖結束以后，頂拱均保持良好的穩定條件。計算結果顯示，受結構面傾角普遍較高的影響，潛在的塊體失穩風險主要集中在邊墻。受到結構面傾向、塊體臨空條件的影響，廠房上游邊墻塊體破壞風險程度明顯高于下游邊墻，因此，上游邊墻塊體穩定特征成為廠房支護設計的重要依據。

圖4所示的結果還表示，上游邊墻潛在不穩定塊體主要分布在樁號為0+57～0+80、0+100～0+127之間的兩個區段范圍內，第3步開挖完成以后塊體仍然保持相對較好的穩定條件，第4步開挖惡化了塊體臨空條件，塊體穩定性也開始發生變化(降低)。第5步開挖使得潛在不穩定塊體完全臨空，塊體變形增量和破壞風險程度發生顯著變化。由此可見，從保證塊體穩定角度，第3步開挖完成以后即需要注意對邊墻的支護，在第4步開挖完成后需要完成邊墻支護才能進行下一層的開挖，且有必要采取強化預留保護層和控制爆破等措施。

現場施工情況驗證了上述判斷，廠房第2層開挖完成后，上游邊墻巖錨梁部位出現幾處小型破壞塊體，位于樁號0+73～0+114，這段分布有N70°E陡傾角裂隙，傾向外，同仿真計算結論基本吻合。

圖5表示廠房開挖完成以后1～4機組剖面上變形分布矢量，它清晰揭示上游邊墻變形最突出，其次是下游邊墻，頂拱保持良好穩定狀態的基本規律。受控制性節理傾向的影響，上游邊墻塊體為潛在滑移破壞方式，是工程中需要采用錨固手段重點解決的問題。下游則為局部傾倒趨勢，影響深度較小，設計的系統支護可以有效控制這類問題。

3 認識與結論

(1)大型水電站地下廠房圍巖穩定研究工作一直以來都是電站設計者關注的重點，隨著國內外研究工作的不斷深入和成熟經驗的不斷總結，對廠房圍巖潛在破壞模式分析、判斷更加準確。深圳抽水蓄能電站的實踐總結，揭示了基本地質條件(巖性、地應力、結構面)與潛在破壞方式研究成果的正確性，文中依據實踐經驗總結的定量判斷準則適應于該地下工程實踐。

(2)深圳抽水蓄能電站迄今為止的實踐，揭示了圍巖潛在破壞方式是以結構面切割塊體的穩定性起到控制性作用，輕微的應力型破壞有條件地出現在局部位置。受最大地應力方位影響，應力型破裂集中在第2層開挖以后的上游拐角部位，與拐角應力集中密切相關。后續開挖中的拐角均為90°，大于第2步開挖后的銳角，應力破裂應顯著減緩或基本不出現。

圖4 根據真實節理網絡預測的塊體穩定性(上游邊墻)Fig.4 Estimated mass stability on the basis of real joint network(side wall upstream)

圖5 根據真實節理網絡預測的塊體穩定性(上游邊墻)Fig.5 Estimated mass stability on the basis of real joint network(side wall upstream)

(3)鑒于圍巖以結構面控制塊體穩定為主要方式，穩定分析評價需要采用基于非連續力學的分析方法。研究工作顯示，三維離散元程序3DEC可以很好地滿足這類問題研究的需要。采用該程序、按照現場實際編錄確定的結構面信息進行的塊體穩定性評價，不僅能可靠地揭示塊體穩定的一般特征，而且能可靠地判明潛在不穩定塊體的具體位置，為局部加強支護提供更直接的依據。

(4)采用現場編錄資料開展動態塊體穩定分析在國內水電工程建設中屬于首次，迄今為止的實踐證明這一思路的現實可行性和良好的工程應用價值。

［1］ 陳云長，王匯明，廖品忠，等.深圳抽水蓄能電站工程可行性研究報告［R］.廣州:廣東省水利電力勘測設計研究院，2009.

［2］ 陳云長，王匯明，吳秋芳，等.廣東惠州抽水蓄能電站B廠工程竣工驗收設計工作報告［R］.廣州:廣東省水利電力勘測設計研究院，2011.

［3］ 朱永生，朱煥春，孟國濤，等.基于離散單元法的白鶴灘水電站復雜塊體穩定性分析［J］.巖石力學與工程學報，2010，30(10):2068－2075.

［4］ 朱煥春，Andrieux Patrick，鐘輝亞.節理巖體數值計算方法及其應用(二):工程應用［J］.巖石力學與工程學報，2005(1):89.