DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.04.033

水电站地下厂房洞室群施工期围岩变形特征与稳定性

王辉^{1, 2}，陈卫忠^{2, 3}，郑朋强¹，文志杰¹，李楠¹，王清标¹

(1. 山东科技大学 资源与土木工程系，山东 泰安，271019；

2. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南，250061

3. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉，430071)

摘要：根据施工过程岩层揭露情况，结合围岩变形监测数据，分析围岩变形状况。根据施工期岩层探测结果，建立地下厂房洞室群大型有限元模型，利用变形监测数据，对地下厂房洞室群的围岩力学参数进行反演分析；结合数值仿真结果，分析围岩变形规律。研究结果表明：主厂房第一层开挖穿越Ⅲ₁，Ⅲ₂和IV类围岩，围岩变形受岩层性质影响较明显，在IV类围岩穿越的副厂房位置，围岩变形较大；厂横0+153.81断面的变形明显比其他断面的大，在后续开挖过程中应加强对IV类围岩变形的监控量测。

关键词：地下厂房洞室群；变形特征；稳定性

中图分类号：TU923             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)04-1096-08

Deformation characteristics and stability of surrounding rock of underground powerhouse group of hydropower station during construction

WANG Hui^{1, 2}, CHEN Weizhong^{2, 3}, ZHENG Pengqiang¹, WEN Zhijie¹, LI Nan¹, WANG Qingbiao¹

(1. Department of Resources and Civil Engineering, Shandong University of Science and Technology, Tai’an 271019, China;

2. Research Center of Geotechnical & Structural Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;

3. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,

Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

Abstract: According to the situation of strata exposed during the construction process, combined with the deformation monitoring of surrounding rock, the deformation condition was analysed. According to the detection results of rock mass during construction, the finite element model of large underground powerhouse cavern group was established. Using the deformation monitoring data, the mechanical parameters of surrounding rock of underground powerhouse cavern group was obtained by inversion analysis. Combined with the results of numerical simulation, the deformation law of surrounding rock was analyzed. The results show that the excavation of the first layer in the main powerhouse passes through the surrounding rock whose type is Ⅲ₁, Ⅲ₂ and IV. Deformation of surrounding rock is influenced more obviously by rock properties. In the location of auxiliary powerhouse which passes through surrounding rock of type IV, the deformation of surrounding rock is larger. The deformation of the No. 0+153.81 section of the main powerhouse is larger than the others and the monitoring measurement should be strengthened in surrounding rock of type IV in the subsequent excavation process.

Key words: underground caverns; deformation characteristics; stability

水电资源作为清洁、可再生能源，对于改善我国能源结构、促进可持续发展具有重要的社会和经济效益，必将成为我国今后开发的重点^[1]。据统计，我国蕴藏的水电容量居世界首位，开发潜力巨大，其中大多集中在西南地区的高山深谷中^[2]。由于地形地质条件等因素的限制，在这些区域建设水电站往往采用地下厂房的形式。由于高山深谷区域地应力等地质条件复杂，岩体经开挖后在应力重分布过程中容易产生围岩变形，对工程的安全稳定产生重要影响^[3-4]。为分析洞室开挖对围岩稳定性的影响规律，国内外研究者采用现场监测、数值模拟等方法开展了深入细致的研究。李志鹏等^[5]采用现场监测等方法，对施工期水电站地下厂房围岩的变形破坏特征进行描述和分析；彭琦等^[6]以洞室开挖过程变形监测数据为基础，结合地质和施工资料，对地下厂房的围岩变形特征及其机制进行分析，重点研究结构面和临近洞室开挖对围岩稳定性的影响规律；魏进兵等^[7]结合地质、监测、物探及施工资料，对锦屏一级水电站地下厂房施工期围岩的变形与破坏特征进行分析，研究洞室群(主厂房、主变室、母线洞等)开挖过程的相互影响规律；田泽润等^[8]根据白山抽水蓄能泵站地下厂房开挖过程中的变形观测数据，对地下厂房围岩的开挖变形进行了数值模拟；姚强等^[9]结合弹塑性有限元方法和围岩变形监测资料，分析了瀑布沟水电站地下厂房洞室群围岩的变形特征及稳定性，发现围岩变形受施工程序和地质条件的影响较大；高春玉等^[10]对官地水电站地下厂房洞室群施工期围岩位移特征进行了分析，研究结构面对位移的影响规律；聂卫平等^[11]建立向家坝水电站三维有限元模型进行数值计算，以洞室变形和点抗滑安全系数为指标，针对地下厂房围岩的特殊性进行稳定性研究。由于水电站地下厂房工程量大、开挖周期长，因此，开展施工过程中围岩变形分析及控制对于确保工程的顺利施工意义重大。本文作者在以上研究成果的基础上，结合猴子岩水电站地下厂房工程建设，根据施工过程岩层揭露情况，结合围岩变形监测数据，分析围岩变形规律；根据施工期岩层探测结果，建立能反映岩层分布的地下厂房洞室群大型有限元模型，利用变形监测数据，反演围岩力学参数，为下一步施工提供理论参考。

1  工程概况

猴子岩水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，是大渡河干流水电规划调整推荐22级开发方案的第9个梯级电站。坝址控制流域面积54 036 km²，平均流量774 m³/s。猴子岩水电站坝址区位于色龙沟口至折骆沟口河段，河道略呈“S”型流向，坝址河谷狭窄，河谷形态呈较对称的“V”型谷，引水发电系统位于右岸。根据初步地质勘探结果，得到猴子岩水电站地层及围岩分布如图1所示。

图1  猴子岩水电站围岩分布状况

Fig. 1  Distribution of surrounding rock of Houziyan hydropower station

坝址地层岩性较复杂，岩石种类较多，主要有厚—巨厚层变质灰岩、薄—中厚层白云岩、白云质灰岩、变质灰岩等。根据岩石物理力学性试验成果，地层分类及岩体类型依次如下。

D1-12 1：灰色中厚—薄层状白云质灰岩、变质灰岩，属于Ⅲ₁—Ⅲ₂类围岩；

D1-11 1：灰色巨厚层状白云质灰岩、变质灰岩(局部中薄层)，属于Ⅲ₁—Ⅲ₂类围岩；

D1-10 1：灰色薄—中厚层状白云质灰岩、变质灰岩，属于Ⅲ₂—Ⅳ类围岩；

D1-9 1：灰色厚—巨厚层状白云质灰岩、变质灰岩(局部中薄层)，属于Ⅲ₁—Ⅲ₂类围岩；

D1-8 1：灰黑色中厚—薄层状白云质灰岩、变质灰岩，属于Ⅲ₁—Ⅲ₂类围岩；

D1-7 1：灰色厚—巨厚层状白云质灰岩、变质灰岩(局部薄层)，属于Ⅲ₁—Ⅲ₂类围岩；

D1-6 1：灰黑色薄—中厚层状白云质灰岩、变质灰岩，属于Ⅲ₁—Ⅲ₂类围岩。

地下厂房系统包括主机间、副厂房、安装间、主变室、尾调室等，布置在右岸280~510 m山体内。主机间长×宽×高为142.6 m×29.7 m×74.425 m，安装间长为55.9 m、副厂房长为25.90 m，厂房总长度为224.4 m，厂房顶拱高程为1 732.225 m，尾水管底板高程为1 665.80 m。主变室和尾水调压室与厂房平行布置，厂房轴线为N61°W，主厂房与主变室的中心距为71.5 m，主变室与尾水调压室的中心距为65.9 m。主变室全长为141.10 m，跨度为18.80 m，高为25.2 m，顶拱高程为1 729.6 m。尾水调压室长为60.00 m，跨度为23.5 m，高为73.975 m，顶拱高程为1 742.375 m。地下厂房空间分布如图2所示。地下洞室群的开挖方案如图3所示，其开挖顺序见表1。

图2  地下厂房空间分布

Fig. 2  Spatial distribution of underground powerhouse

图3  地下厂房开挖分块示意图

Fig. 3  Schematic diagram of underground powerhouse excavation

表1  地下厂房开挖顺序

Table 1  Excavation sequence of underground powerhouse

2  地下厂房洞室群围岩变形特征分析

2.1  围岩分布特征分析

根据猴子岩水电站地质勘查报告及施工过程岩层揭露情况的实时探测结果，确定主厂房的围岩等级如图4所示。从图4可以看出：安装间主要以围岩强度较高的Ⅲ₁类围岩为主；主机间1号~4号机组所经围岩以Ⅲ₁类围岩为主，并夹杂有2处Ⅲ₂类破碎围岩带；副厂房围压主要以IV围岩为主。根据岩层产状探测结果及地下厂房开挖揭露岩层分布情况，建立细观分析有限元模型如图5所示。

图4  主厂房开挖揭露围岩等级分布

Fig. 4  Grade distribution of surrounding rock exposed by excavation of main powerhouse

为了反映地下厂房洞室群开挖过程的三维效应，有限元模型的范围为X方向从(厂纵)0-350.00 m至(厂纵)0+450.00 m，Y方向从(厂横)0-340.00 m至(厂横)0+460.00 m。地下厂房穿越软弱地层带如图6所示。

图5  猴子岩水电站三维有限元模型

Fig. 5  Three-dimensional finite element of Houziyan hydropower station

图6  地下厂房穿越软弱地层带模型

Fig. 6  Model of underground powerhouse passing through weak strata

2.2  围岩变形特点研究

为了监测主厂房拱顶围岩变形随工程施工过程的变化规律，在主厂房顶部布设四点式位移计，监测断面包括厂横0+51.30、厂横0+83.80、厂横0+116.30和厂横0+153.81的断面位置，拱顶多点位移计的布设位置如图7所示。

图7  主厂房拱顶多点位移计布设位置

Fig. 7  Arrangement of measuring points in vault of main powerhouse

截止到2012-06-18，地下厂房已完成第1步和第2步的开挖，开挖顺序如表1所示。不同监测断面拱顶下沉量随时间的变化规律如图8所示。从图8可以看出：主厂房1号~4号机组所经围岩以Ⅲ₁类和Ⅲ₂类围岩为主，围岩性质较好，厂横0+51.30、厂横0+83.80和厂横0+116.30这3个断面拱顶累计沉降量分别为15.60，15.30和10.34 mm，而副厂房围压主要以IV围岩为主，围岩稳定性相对较差，因此，拱顶下沉监测值较大，其中厂横0+153.81的拱顶变形累积值达达到了18.46 mm。从监测值的变化规律来看：多点位移计在安装之初变化量较小，后期位移量的增加主要是由于侧墙扩挖导致围岩应力重分布所致。

3  围岩力学参数反演研究

3.1  围岩力学参数反演分析方法

地下厂房洞室群开挖后围岩受到扰动，不同位置由于岩性存在差异表现出变形不一致，因此，掌握洞室随着开挖过程围岩的分布及性质，对于分析其稳定性和提出合理的支护对策具有重要意义。根据现场变形监测数据反演分析是确定岩体力学参数的一种重要手段，待求参数一般包括岩体的弹塑性力学参数、流变参数或损伤参数等，可以表示为

         (1)

式中：x₁，x₂，…，x_n为待求岩体力学参数；n为待求参数的总个数。

通过现场监测手段，得到不同测点的相对位移或绝对位移：

图8  现场多点位移计测量结果

Fig. 8  Results of different measuring points on site

          (2)

式中：分别为不同测点的位移监测值；m为测点的总个数。

在数值模拟过程中，围岩变形U是岩体力学参数X的函数，当围岩被赋予不同的力学参数值时，通过数值计算可得到测点处的变形计算值，即

          (3)

式中：u₁，u₂，…，u_n分别为各测点处的位移计算值。

围岩力学参数反演的目的是在允许的取值范围内寻找一组合理的岩体力学参数组合，使得各测点位移的数值模拟计算结果与现场监测结果之间差值的绝对值和最小，即可认为该参数与现场岩体参数相吻合。可表示为

        (4)

待求参数的取值范围可用以下约束关系表示：

x_imin≤x_i≤x_imax；i=1，2，…，n     (5)

式中：x_imin和x_imax分别为待求参数的取值的上限和下限，可通过室内外试验或现场监测报告确定。

为实现以上目标，本文利用MATLAB语言编制基于遗传算法的反演分析程序，结合ABAQUS有限元算法^[12-15]，实现对地下厂房洞室围岩力学参数的反演研究。

3.2  猴子围岩力学参数反演分析方案

从多点位移计的监测结果(如图8所示)可以看出：多点位移计安装之初，围岩的变形量较小，当厂房侧墙开始扩挖时，围岩的变形明显增大，这主要是扩挖导致厂房周边围岩应力调整所致。本次分析过程中以厂房扩挖过程中产生的变形进行反分析，以监测结果与数值计算结果的相对误差建立目标函数：

            (6)

式中：为计算得到的拱顶下沉；为现场监测的拱顶下沉。反演计算目的就是通过围岩力学参数的不断迭代计算使函数趋向最小值。

根据目前揭露的岩层分布状况，分析影响围岩变形的主要围岩性质，本次反演过程的围岩分为3种，分别为Ⅲ₁，Ⅲ₂和Ⅳ类围岩(其分布如图4所示)，因此，建立的目标函数实际上为围岩弹塑性参数的函数：

     (7)

其中：E₁，E₂和E₃分别为Ⅲ₁，Ⅲ₂和Ⅳ类围岩的弹性模量；c₁，c₂和c₃为黏聚力；φ₁，φ₂和φ₃为摩擦角。

计算过程中模型的周边采用法向位移约束，模型中计算单元的自重应力场和构造应力场采用前期研究得到的初始地应力场反分析结果进行施加。根据现场的施工过程，反演分析计算过程共分为3个分析步：1) 进行初始应力场平衡；2) 主厂房中部拱顶开挖；3) 主厂房两侧边扩挖。开挖示意图如图9所示。

图9  主厂房开挖过程模拟

Fig. 9  Simulation of excavation process of main powerhouse

3.3  反演结果分析

通过反演分析得到的数值计算结果与多点位移计监测结果的对比如表2所示。从表2可以看出：反演分析计算结果与监测结果总体上较接近，相对误差均低于8%，说明反演计算结果较理想。

表2  围岩变形反分析结果与监测值对比

Table 2  Comparison of surrounding rock deformation between inversion and monitoring result

本次反演分析不同围岩类型的力学参数初始值及取值范围如表3所示，其中，参数取值范围的选取参照GB50218—94“工程岩体分级标准”^[16]。反演过程中，通过近300次迭代计算得到了不同等级围岩的力学参数见表3。由表3可以看出：Ⅲ₁类围压的力学参数相对较高，因此，虽然安装间埋深较大，但在开挖过程中其变形较小，而副厂房通过的IV类围岩的力学参数相对较低，这也是开挖过程中副厂房变形相对较大的主要原因。

主厂房开挖过程中，厂横0+51.30、厂横0+83.80、厂横0+116.30和厂横0+153.81这4个断面位移场分布如图10~13所示。由图10~13可以看出：厂横0+153.81的变形明显比其他断面的大，在后续开挖过程中应加强对IV类围岩变形的监控量测，以防止对地下厂房洞室群的整体稳定性产生影响。

表3  不同类型围岩力学参数值

Table 3  Mechanics parameter values of different types of surrounding rock

图10  主厂房厂横0+51.30断面竖向位移云图(单位：m)

Fig. 10  Vertical displacement nephograms in No. 0+51.30 section of main powerhouse

图11  主厂房厂横0+83.80断面拱顶竖向位移云图(单位：m)

Fig. 11  Vertical displacement nephograms in No. 0+83.80 section of main powerhouse

图12  主厂房厂横0+116.30断面拱顶竖向位移云图(单位：m)

Fig. 12  Vertical displacement nephograms in No. 0+116.30 section of main powerhouse

图13  主厂房厂横0+153.80断面拱顶竖向位移云图(单位：m)

Fig. 13  Vertical displacement nephograms in No. 0+153.80 section of main powerhouse

4  结论

1) 主厂房第一层开挖穿越Ⅲ₁，Ⅲ₂和IV类围岩，围岩变形受岩层性质影响较明显，由于Ⅲ₁类围压的力学参数相对较高，因此，虽然安装间埋深较大，但在开挖过程中其变形较小，而副厂房通过的IV类围岩的力学参数则相对较低，这也是开挖过程中副厂房变形相对较大的主要原因。

2) 根据施工期岩层探测结果，建立地下厂房洞室群大型有限元模型，利用变形监测数据，对地下厂房洞室群的围岩力学参数进行反演分析，反演分析计算结果与监测结果总体上较接近，相对误差均低于8%，说明反演计算结果较理想。

3) 结合数值仿真结果，分析围岩变形规律，提出在后续开挖过程中应加强对IV类围岩变形的监控量测，以防止对地下厂房洞室群的整体稳定性产生影响。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2016-04-07；修回日期：2016-06-03

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51409154)；山东科技大学杰出青年科技人才支持计划项目(2015JQJH106, 2014JQJH105)；山东科技大学科研创新团队支持计划(2014TDJH103)；山东省高等学校科技计划项目(J16LG03)(Project (51409154) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects (2015JQJH106, 2014JQJH105) supported by the Research Fund of Shandong University of Science and Technology for the Outstanding Young Scientists; Project (2014TDJH103) supported by the Research Fund of Shandong University of Science and Technology for the Scientific Research Innovation Team; Project (J16LG03) supported by the Higher Educational Science and Technology Program of Shandong Province)

通信作者：文志杰，博士，副教授，从事矿山动力灾害预控研究；E-mail：sdust0532@gmail.com