柱状节理岩体影响下巨型地下洞室围岩稳定性研究

柱状节理岩体影响下巨型地下洞室围岩稳定性研究

苏锋

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065）

摘要：白鹤滩地下洞室群规模宏大且围岩地质条件复杂，左右岸地下洞室群广泛发育柱状节理岩体，在柱状节理和软弱层内带共同影响下的大型地下洞室群围岩稳定性问题已经成为了白鹤滩水电工程的关键岩石力学问题。以右岸导流洞开挖为案例，采用数值分析手段首先分析了导流洞柱状节理围岩开挖响应的一般特征，总结了导流洞柱状节理围岩各向异性变形模式，其次对导流洞柱状节理围岩在开挖过程中所表现出来的变形破坏机理进行了分析，最后结合现场监测数据解释了围岩松弛测试深度大的原因。研究结果为工程施工及支护方案的确定提供了参考依据。关键词：地下洞室；柱状节理；层内带；各向异性；数值模拟中图分类号：TV223.3+1

文献标志码：A

文章编号：2095-0144（2019）11-0032-06

1工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，电站总装机容量为1600万kW，是中国继三峡、溪洛渡之后的又一座千万千瓦级水电站。白鹤滩地下洞室群规模巨大，主要由引水洞、主机房、变电室、母线洞、调压室及尾水洞组成。白鹤滩枢纽区域地质条件较为复杂，其中广泛发育于大型地下洞室群的柱状节理岩体问题是制约地下洞室群施工建设稳定性问题的重要因素。白鹤滩水电站柱状节理岩体对工程的影响主要体现在导流洞、尾水调压室等地下洞室。

白鹤滩水电站右岸导流洞柱状节理发育段自开挖以来已相继出现了洞室围岩顶拱坍塌、边墙松弛开裂与坍塌、边墙松弛深度大等典型围岩稳定问题，并且存在围岩松弛时间效应等特征[1-5]。本文基于白鹤滩岩体力学基本特征及现场工程地质资料，以右岸导流洞开挖为案例，采用数值分析方法分析柱状节理岩体对导流洞开挖过程中围岩稳定性影响，并结合现场破坏现象和监测结果，解释现场岩体破坏产生的原因，提出加强支护措施。2柱状节理的发育特点

柱状节理是玄武熔岩冷凝收缩过程中形成的一种常见原生节理，在柱体内一般发育不规则的纵向（平行柱体）与横向（垂直柱体）微裂隙，使柱状节

收稿日期：2019-10-29

理岩体表现为镶嵌结构。带有强烈方向性的柱状节理和微裂隙，使柱状节理岩体宏观力学性质表现出强烈的各向异性特征。由于柱状节理岩体力学性质复杂，结构面形状特殊且不属于岩土工程的共性问题，柱状节理和软弱层内带共同影响下的大型地下洞室群围岩稳定性问题已经成为了白鹤滩水电工程的关键岩石力学问题之一[1-3]。

根据《白鹤滩柱状节理玄武岩结构分类研究》专题[6]，白鹤滩柱状节理玄武岩柱体轮廓较明显，但不规则，柱面切割不完全，呈尖棱状、倒锥状（图1）。Ⅰ类柱的柱体直径一般20cm，柱体长度1～2m，倾为逆向坡；Ⅱ类柱的柱体直径在50cm左右。伏向N30°～50°W，倾角75°，即右壁为顺向坡，左壁

（a）I类（b）II类

图1白鹤滩左右岸典型柱状节理岩体

3计算模型的建立及参数的选取3.1计算模型的建立

数值计算已经普遍用于解决工程中的岩石力

作者简介：苏锋，男，甘肃兰州人，高级工程师，博士，主要从事数字化应用方面的研究，E-mail：sufeng0205@163.com。

·32·

第11期苏锋：柱状节理岩体影响下巨型地下洞室围岩稳定性研究

第55卷

学问题，从工程角度出发，工程数值计算的关键问题是如何事先分析工程问题的性质，然后从众多的计算方法和软件中有针对性地选择一种合理的软件进行求解

[7-8]

。在分析中采用离散元UDECUDEC软件，

用不连续力学理论的离散元方法求解。在主要针对岩体介质的不连续性问题研发，UDEC采

中，不连续介质被处理成离散块体的集合体，不连续面被视为块体的界面，不连续面可以产生滑动和张开，块体可以产生转动变形。

为了比较各种因素造成的影响，数值模拟中建立了完整岩体模型、柱状节理围岩模型、柱状节理+层内带的模型，按照现场实际揭露特征，层内带的间距按照平均间距7.5m考虑（图2）。依据计算结果的对比分析，揭示围岩的开挖响应特征，说明初始应力条件、柱状节理、层内带等因素导致的围岩变形破坏机理的差异。

开挖分步

柱状节理dip=75°

层内带21

32

4

图2导流洞柱状节理岩体结构特征

3.2本构与参数

数值模拟中岩体采用Mohr-Coulomb应变软化模型，岩体计算参数取值见表1所列。针对高度节理化的柱状节理岩体的数值计算有两种策略，一是将柱状节理岩体进行“等效连续”处理，然后采用连续力学方法进行间接模拟；二是采用非连续力学介质方法“直接模拟”柱体，即直接描述岩体的非连续性和各向异性特征。由于导流洞的开挖尺寸相对较小，并且不存在类似于尾调室穹顶的两向成拱特征，因此，采用二/三维非连续力学方法进行柱状节理的直接模拟。柱状节理结构面采用Coulomb-slip本构模型[9]，该模型能够有效模拟结构面的变形和破坏，且能合理描述破坏后的力学行为。结构面的变形参数可以由结构面的厚度和结构面物质进行等效换算，根据现场试验结果[5]结合数值模拟特征，本次数值模拟中涉及到的结构面参数取值见表2所列。

表1玄武岩岩体力学参数取值

峰值强度

残余强度

右岸

弹性模量/GPac/MPa

ϕ/°c/MPa

ϕ/°玄武岩24.006.1246.01.0547.2角砾岩

14.24

4.08

44.1

0.96

44.2

表2结构面参数取值

类型Kn/(GN/m)

Ks/(GN/m)

c/MPa

ϕ/°层内带0.5000.1850.0314柱状节理面

100

50

0.4

58

3.3岩体应力条件

白鹤滩现场试验数据表明，厂房区第一和第二主应力基本水平，最大主应力σ1倾角2°～11°，最大主应力量值方向约为一般在N40°W18～26，洞初始地应力特征应力比为MPa。根据地勘资料结合现场模型反演，24MPa∶20右岸导流MPa∶16群柱状节理洞段初始最大主应力分布特征。MPa（1.68∶1.48∶1.10），图3所示为白鹤滩地下洞室

4数值计算结果分析4.1围岩变形特征分析

围岩完整条件下，初始应力条件主导了开挖响应的基本特征。而考虑柱状节理、柱状节理和层内带组合的模型，将更切合实际地揭示围岩的开挖响应特征，并且体现出各种因素的影响作用。图4显示了围岩完整情况下，导流洞分步开挖围岩变形分布特征图；图5显示了围岩完整、考虑柱状节理、考虑柱状节理和层内带组合3种条件下围岩变形分布特征，计算结果显示：

（1）围岩完整条件下，由于导流洞断面最大主应力倾角较大，在（第2步）上层开挖后，顶拱产生了明显的变形，变形量级明显大于两侧拱肩，在开挖中下层后（第4步），边墙产生了较明显的松弛，变形量级在10～20mm水平，且右侧边墙的变形量级略大于左侧边墙。

（2）考虑柱状节理影响条件下，导流洞开挖后围岩各向异性变形增大。左侧边墙的位移由10～1520mmmm增大至增大至2525～～4030mmmm。

，右侧边墙的位移由15～·33·

2019年第11期赤平投影最大主应力σ1中间主应力σ2最小主应力σ3

330°315°300°

330°315°300°

345°0°15°

甘肃水利水电技术σ2

30°45°60°

330°315°300°

345°0°15°

30°45°60°

第55卷345°0°15°

30°

270°

285°

270°

285°

σ2

σ3

σ1

45°240°60°225°75°210°

105°90°

255°

σ3

σ1

75°

120°135°150°

195°180°165°

105°

90°

导流洞末段

255°

240°225°210°

270°

285°

330°315°300°

345°0°15°

尾水洞中段

30°45°60°

120°135°150°

195°180°165°

345°0°15°

30°330°

315°45°90°270°

300°60°

σ2105°255°

75°285°

120°σ3240°

σ290°270°σ1

135°225°

150°210°105°255°

195°180°165°

120°240°导流洞末段σ1

135°225°

150°210°

195°180°165°285°

σ3

75°

尾水洞中段

左右岸导流洞

σ2

255°

σ3

σ1

75°

270°

285°

330°315°300°

345°0°15°

30°

45°60°

240°225°210°

导流洞中段

330°315°300°

120°135°150°

195°180°165°

345°0°15°

105°

90°

255°

σ2

σ1

σ3

75°

240°225°210°

120°135°150°

195°180°165°

105°

90°

导流洞中段

30°

270°

285°

255°

σ3

σ2

30°

45°60°

导流洞首段

330°315°300°

345°0°15°

导流洞首段

45°60°

330°315°300°

345°0°15°

30°45°60°

75°

240°225°210°

尾水洞首段

120°135°150°

195°180°165°

σ1

105°

90°

270°

285°

σ2

σ3

30°

270°

285°

330°315°300°

345°0°15°

45°60°

255°

σ2

σ1

σ3

75°

75°

255°

120°240°

135°225°

150°210°

195°180°165°

σ1

105°

90°

270°

285°

σ2σ3

75°

255°

240°225°210°

120°

σ1

135°150°

195°180°165°

105°

90°

240°225°210°

尾水洞首段

120°135°150°

195°180°165°

105°

90°

图3柱状节理洞段初始最大主应力分布特征

σ3′

σ2′

顶拱中间变形大于拱肩

位移图例/m5.000E-031.000E-021.500E-022.000E-022.500E-023.000E-023.500E-02

右侧边墙变形大于左侧，边墙最大位移＞15mm

（a）第1步（b）第2步（c）第3步（e）第4步

图4导流洞分步开挖的位移特征

（3）层内错动带将加大局部松弛变形。特别是在导流洞拱肩部位，层内带与柱状节理的组合条件可能导致局部变形增大甚至失稳。4.2应力分布特征

图6显示了围岩完整、考虑柱状节理、考虑柱状节理和层内带组合3种条件下围岩最大、最小主应力分布特征，计算结果显示：·34·

（1）围岩完整条件下，受断面内大主应力的影响，左拱肩出现了大于35MPa的应力集中，并且可能导致局部的应力型破坏，这与左拱肩出现片帮和喷层剥落现象一致。但是，应力集中水平总体不高，应力型破坏程度较小。

（2）柱状节理致使围岩应力集中范围和大小产生明显变化。由于柱状节理使得岩体强度降低，浅

第11期苏锋：柱状节理岩体影响下巨型地下洞室围岩稳定性研究第55卷

位移图例/m5.000E-03

1.000E-021.500E-022.000E-022.500E-023.000E-023.500E-02

σ3′

σ2′

柱状节理使得变形量级增大于，右侧边墙中部位移＞35mm

层内带与柱状节理的组合，使得局部变形增大

（a）岩性（b）岩性+柱状节理（c）岩性+柱状节理+层内带

图5考虑不同因素的围岩位移分布特征

层围岩产生屈服，此时应力集中区域与开挖面距离增大；在存在柱状节理与层间带的组合时，可能使得层间带下方产生经历过应力集中与屈服后的松弛，即局部破裂贯通并且发展成为应力型坍塌。此外，由于柱状节理岩体具有各向异性特征，左右边墙应力松弛区域呈现明显差别。

（3）层内带与柱状节理的组合影响，可以导致顶拱层内带下方岩体和边墙岩体的松弛深度加大。使得顶拱的显著松弛深度增大至3.0～4.0m，这也是右岸导流洞顶拱产生较多的松弛型坍塌的原因。同

σ1/MPa

时，层内带使得边墙产生一定的剪切变形，增大了边墙的松弛特性，使得左边墙的松弛深度增大至7.2m，而右边墙的最大松弛深度达8.1m。

（4）柱状节理岩体中存在较为分散的拉应力

（图中黑色部位），因此，可以导致局部柱状节理面的张性开裂。4.3塑性区分布特征

图7显示了围岩完整、考虑柱状节理、考虑柱状节理和层内带组合3种条件下围岩塑性区分布特征，计算结果显示：

-3.600E+01

-3.200E+01-2.800E+01-2.400E+01-2.000E+01-1.600E+01-1.200E+01-8.000E+00-4.000E+000.000E+004.000E+00

σ3′

σ2′

边墙应力松驰明显，并且具有显著的非对称性

层内带下方松驰

-9.000E+00-8.000E+00-7.000E+00-6.000E+00-5.000E+00-4.000E+00-3.000E+00-2.000E+00-1.000E+000.000E+001.000E+00

σ3/MPa

4.1m

3.8m

6.8m

最小主应力出现局部拉应力区域，最大拉应力7.4m一般小于1MPa

7.2m

层内带剪切加大松驰

8.1m

（a）岩性（b）岩性+柱状节理（c）岩性+柱状节理+层内带

图6考虑不同因素的围岩最大主应力(上)和最小主应力(下)分布特征

·35·

2019年第11期塑性区屈服面（*）过去屈服（x）拉伸破坏（o）

2.9m

甘肃水利水电技术第55卷σ3′

σ2′

3.2m

5.8m

塑性区呈非对

称性，柱状节理

使得边墙塑性7.1m区明显增大

6.5m

层内带可能进一步增大局部塑性区深度

7.7m

（a）岩性（b）岩性+柱状节理（c）岩性+柱状节理+层内带

图7考虑不同因素的围岩塑性区分布特征

（1）围岩完整条件下，边墙的塑性区深度为3m左右。柱状节理使得围岩塑性区深度显著增大，左侧边墙的塑性区由2.9m增大至5.8m；顶拱的塑性区1m增至2～3m；右侧边墙的塑性区由3.2m增大至7.1m。

（2）层内带和柱状节理组合使得塑性区进一步增大，考虑层内带后左侧边墙的塑性区增大至6.5m；顶拱的塑性区增大至4m左右；右侧边墙的塑性区增大至7.7m。

5数值计算结果与现场现象和监测数据比较5.1顶拱坍塌现象解释

40°～50°，使得顶拱和边墙同时存在明显的松弛变形问题，且以右侧边墙更为突出。数值计算结果表明，顶拱变形量级在20mm以内；左拱肩为应力集中区域，可能产生节理破裂贯通后形成应力型坍塌；层内带与柱状节理组合影响使得顶拱最小主应力（小于1MPa）产生显著松弛的深度达3～5m，塑性区深度达2～4m，局部可能形成松弛型坍塌。

图8显示了顶拱部位层内带与柱状节理组合形成局部坍塌的典型破坏模式，数值计算结果很好地揭示了这种松弛破坏类型。5.2声波测试边墙松弛现象解释

图9表示了导流洞K1+120～K1+190m边墙松弛破坏特征。由图9可见，在开挖中层后，右侧边墙中下部产生松弛大变形，且局部形成松弛坍塌。数值模拟结果显示，右侧边墙产生明显的张性破裂和剪切滑移组合，说明在柱状节理较为贯通发育的部位，可以由柱状节理面的张性破裂与剪切破坏的组合形成宏观的松弛坍塌。·36·

由于导流洞柱状节理段断面内大主应力倾角

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层内带与柱状节理组合导致的顶拱坍塌ItascaConsultingGroup,inc.Minneapolis,MinnesotaUSA

图8层内带与柱状节理组合导致的顶拱坍塌破坏机制

现场声波测试结果表明柱状节理围岩具有松弛深度大的特点，图10说明了这种机理。由于中等倾角的断面大主应力使得右侧边墙松弛变形本身大于左侧，而柱状节理岩体固有的各向异性特性加剧了这种松弛特征，并且使得左右侧边墙松弛范围呈现显著的差异。图10表示了中层开挖底板面以上1.0～2.0m声波孔位置，以及围岩最小主应力松弛和结构面破裂的分布特征。由图10可见，声波孔

右侧边墙中下

部产生松弛大变形，局部可能形成坍塌

张性破裂（c=0）柱状节理面黏结力为零的条件下，右侧边墙产生张性破裂和剪切破坏，产生坍塌

图9导流洞（5#导K1+120～K1+190m）边墙松弛机制

第11期苏锋：柱状节理岩体影响下巨型地下洞室围岩稳定性研究第55卷

-9.000E+00

-8.000E+00-7.000E+00-6.000E+00-5.000E+00-4.000E+00-3.000E+00-2.000E+00-1.000E+000.000E+001.000E+00

σ3/MPa

剪切位移/m2.500E-035.000E-037.500E-031.000E-021.250E-021.500E-021.750E-022.000E-022.250E-022.500E-02

张性破裂

声波孔口距离底板1.0～2.0m

声波孔位置

（a）声波孔部位的围岩应力松弛（b）声波孔部位的结构破裂

图10导流洞左右侧边墙测试部位的松弛特征说明

所在位置的围岩松弛深度本身较大，右侧边墙松弛深度达8.1m，明显大于左侧（5m左右）。6结论

本文基于白鹤滩岩体力学基本特征及现场工程地质资料，针对导流洞开挖，采用数值分析方法研究围岩完整条件、考虑柱状节理条件、考虑柱状节理和层内带组合影响条件3种情况下围岩稳定性，并与现场破坏现象做了对比，解释了现场破坏现象产生的原因，计算结果表明柱状节理一般会加剧围岩的各向异性松弛变形特征，而层内带和柱状节理的组合往往可能在一些部位形成局部围岩失稳。具体结论如下。

（1）导流洞柱状节理段断面内最大主应力倾角40°～50°，使得顶拱和边墙同时存在明显的松弛变形问题，且以右侧边墙更为突出，边墙松弛问题需要重点关注。

（2）导流洞顶拱左拱肩为应力集中区域，可能产生节理破裂贯通后形成应力型坍塌。此外，层内带与柱状节理组合可能使得顶拱3～4m范围内产生显著松弛，甚至局部形成松弛型坍塌。工程中，可以依据层内带出露特征进行超前预报，及时分析结构面的组合特征，并且视结构面产状与组合特征制定针对性的支护措施。

（3）导流洞左右侧边墙的围岩松弛变形达35mm以上；显著松弛的深度达7.2～8.1m；塑性区深度达6.5～7.7m；岩体破损区域深度3～4m。局部

由于层内带影响，测试的松弛深度可能更大一些。针对局部松弛深度更大的问题，工程中应该在系统支护的基础上，增加长锚杆，进行局部加强支护。参考文献：

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·37·