0.   引言

白鹤滩水电站首次采用百万机组装机,地下厂房跨度达34 m,为世界已建跨度最大的地下厂房^[1]。2015年9月,右岸厂房III层开挖完成后岩梁浇筑时期,岩体完整性最好的一段（0+076—0+133 m段）正顶拱距开挖面17～26 m范围的围岩,在没有开挖扰动的情况下,开始表现出持续、缓慢的“深层变形”现象,至2017年3月IV层开挖前,0～17 m测点监测位移整体达35～55 mm,位移大于其他洞段且呈现不收敛的特征,成为了施工期反馈分析与动态设计工作最为关注的岩石力学问题。

白鹤滩右厂0+076—0+133 m段“深层变形”具有显著的特殊性,表现为Ⅲ～Ⅳ层的开挖间歇,该洞段多点位移计不同深度测点具有同步等量（约30 mm）的位移增量,并且发生变形的部位主要在深部,而外部岩体基本未发生变形。白鹤滩右岸地下厂房顶拱局部洞段的深层变形模式与锦屏一级等^[2-3]大型地下厂房受构造影响的深部变形存在明显差异,同时,与地质条件极为相似且开挖规模完全相同的左岸厂房实测的开挖变形（Ⅲ～Ⅶ层实测位移增量接近于0）特征更是截然不同,因此,其成因机理引起了参建各方的高度关注和持续研究。

本文首先介绍白鹤滩右岸地下厂房工程规模、地质条件和浅层围岩应力型破坏特征,然后说明厂房顶拱位移监测布置和代表性监测成果,并且通过多点位移计监测成果的GoCAD插值直观展示围岩变形的空间分布,揭示顶拱围岩变形模式的特殊性；进而结合FLAC^3D数值分析,探讨洞室群围岩应力集中、破裂扩展和时效变形特征,诠释“深层变形”的成因机理,同时,通过新增多点位移计和高精度光栅光纤位移监测成果予以验证；最后综合厂房Ⅳ～Ⅹ层开挖完成的监测位移收敛情况、数值模拟分析和声波检测成果对厂房顶拱围岩稳定性进行评价。

1.   工程概况

1.1   地下工程概况

白鹤滩水电站右岸地下厂房采用首部开发方案布置8台1000 MW立式水轮发电机,厂区四大主洞室——主副厂房洞、主变洞、尾水管检修闸门室、尾水调压室平行布置^[1]。

如图1所示,主副厂房洞开挖尺寸为438 m×34 m（岩梁以下31 m）×88.7 m,总共分10层开挖。在地下厂房顶拱上方26 m处,优先开挖了“井字形”锚固观测洞（4.5 m×5 m）,其主要目的是实施对穿锚索,同时,也为监测仪器布置提供条件。

图  1  白鹤滩右岸地下厂房洞室群FLAC^3D模型

Figure  1.  FLAC^3D model for underground powerhouse caverns at right bank of Baihetan Hydropower Station

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1.2   工程地质条件

白鹤滩右岸地下厂房为单斜岩层,岩性主要为P₂β₃³～P₂β₅¹层隐晶质玄武岩、斜斑玄武岩、含杏仁状玄武岩、角砾熔岩及薄层凝灰岩。顶拱岩体的完整性较好,以Ⅲ₁类围岩为主,占73%；局部Ⅲ₂类,占比21%；C₄及C₃发育部位为Ⅳ类,占比6%。其中,0+076—0+133 m段为Ⅲ₁类隐晶质玄武岩,如图2所示,岩体完整性相对最好。

图  2  右岸地下厂房工程地质剖面图

Figure  2.  Engineering geological profile of underground powerhouse at right bank

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右岸地下厂房围岩发育大型软弱层间(内)错动带、小断层、随机裂隙、密集柱状节理等不利构造,其中,以层间错动带C₃、C_3-1和C₄规模最大且影响最为突出。如图2所示,切割厂房南端顶拱的层间带C₄产状为N40°—50°E,SE∠15°—20°,厚度约为60 cm的凝灰岩夹层,带内存在泥化特征,其对0+076—0+133 m段影响甚小。

右岸地下厂房水平和垂直埋深分别达630～800 m、420～540 m,以水平向构造应力占主导。最大主应力一般为22～26 MPa,实测最大水平主应力达30.99 MPa,最大主应力近N-S向,与厂房轴线N10°W呈小角度相交；中间主应力总体倾向河谷2°～11°；最小主应力接近于自重方向。

1.3   围岩破坏特征

白鹤滩玄武岩脆性特征显著且初始应力水平较高,围岩的应力强度比为0.19～0.29,大于0.15,小于0.4,具备应力型破坏的发生条件^[4-5],并且以中等程度的应力型破坏为主,如图3所示。

图  3  地下洞室围岩片帮破坏特征

Figure  3.  Spalling characteristics of surrounding rock in underground cavern

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在水平向构造应力占主导的初始应力条件下,地下洞群开挖导致顶拱和底板产生明显的应力集中区,应力集中程度一般大于玄武岩的启裂强度40 MPa,因此,在地下洞室开挖过程中普遍出现了浅表层围岩的片帮和破裂破坏,以及破裂扩展导致的围岩臌胀与时效变形、喷层开裂等现象^[6-7]。

2.   监测数据分析

2.1   监测仪器的布置

右岸地下厂房布置了9个监测断面^[6],典型断面的监测仪器布置如图4所示,主要通过锚固洞向下埋设四或五点式多点位移计,而多点位移计的安装基座端（即假定的“不动点”）埋设在锚固洞底板以下约50 cm处。

图  4  典型断面的多点位移计布置

Figure  4.  Layout of multipoint displacement meter on typical monitoring section

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2.2   监测数据特征

通过有限点的监测数据获得典型断面的变形云图乃至整个洞室周边三维空间的变形分布,能够直观展示围岩变形的空间分布特征,对判断围岩变形模式十分重要。

采用GoCAD离散光滑插值技术^[8]可以获取地下厂房典型监测断面不同时段的累计位移或阶段性的位移增量分布云图。图5给出了厂房开挖至第V层时各监测断面的累计位移,可见上游侧拱肩变形量级小,与倾向河谷的断面地应力格局影响相吻合；而正顶拱的变形模式可以区分为以下3种类型：

图  5  监测断面的累计位移分布特征

Figure  5.  Distribution characteristics of monitoring cumulative displacement on typical monitoring sections

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（1）0+20、0+185、0+228等监测断面代表了一般洞段,即围岩的大变形区域集中于浅表层,变形模式和变形量级基本都与厂房开挖的应力重分布规律相符。

（2）0-55、0-20断面的总体变形量级和深度有所增大,体现了受大型软弱构造C₄影响的特征。

（3）0+76、0+133断面的位移分布异常特殊,表现为深度17～26 m或11～17 m范围以内的岩体变形量级整体达35～55 mm,可归为“深层变形”洞段。

2.3   0+76—0+133洞段深层变形特征

图6给出了0+76和0+133断面正顶拱的监测位移过程线,可见,两个监测断面都在第III层开挖完成后岩梁浇筑时期（2015年10月—2016年12月）,在无开挖扰动条件下产生了明显的位移增量,其中,0+76正顶拱Myc0+076-2的1.5,3.5,6.5,11 m和17 m深度测点位移增量都在30 mm左右；而0+133正顶拱Myc0+0133-2的1.5,3.5,6.5,11 m深度测点的位移增量也都在40 mm左右,但17 m深度测点未出现位移增量。

图  6  0+76和0+133断面监测位移时程曲线

Figure  6.  Curves of monitoring displacement vs. time of sections 0+76 and 0+133

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单纯从监测位移成果来看,0+76断面17～26 m间岩体产生了35 mm以上的变形；而0+133断面11～17 m间岩体产生了约50 mm的变形。鉴于产生变形的部位距离厂房顶拱开挖面深度达11 m或者17 m以上,超过了系统支护（6/9 m锚杆）的深度,因此,将此变形称为“深层变形”。

3.   “深层变形”模式

3.1   位移插值

仅就监测数据而言,0+76～0+133段顶拱“深层变形”的形成和发展趋势都不同寻常,不仅表现为与厂房开挖面距离较大,同时,存在不同深度测点同步等速位移现象,其变形模式具有独特性。

图7进一步给出了根据0+76断面在III~V层开挖间歇实测变形增量插值后的云图,可见除了正顶拱深度17～26 m岩体产生30 mm以上的变形差外,不受任何结构面影响的完整顶拱在无扰动下产生了条带状变形增量,变形分布规律难以解释。

图  7  0+76断面III~IV层开挖的监测位移增量

Figure  7.  Monitoring displacement increments on section 0+76 during excavating III~IV layer

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类似地,图8给出了0+133监测断面在Ⅲ～Ⅳ层开挖间歇实测变形增量插值后的云图,结合图6可知正顶拱深度11～17 m间6 m厚岩体产生50 mm以上的变形,按照玄武岩的脆性特征,如此大的变形必然导致了明显的宏观裂缝。

图  8  0+133断面III~IV层开挖的监测位移增量

Figure  8.  Monitoring displacement increments on section 0+133 during excavating III~IV layer

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但是,即便该部位产生了完全贯通的深部裂缝,要迫使11～17 m厚度的岩体产生类似块体的整体位移,显然还需要陡倾的非连续面组合成边界条件,以及来自深部的驱动力,这在水平向构造应力占主导的初始应力条件和开挖后环向应力集中（约束）条件下,显然是不可能存在的变形模式。

3.2   专项勘探佐证

根据岩石强度理论,在距厂房开挖面11～17 m处具有约15 MPa径向围压的条件下,岩石强度可达120 MPa,并不具备形成破裂的应力条件。

现场实施的专项勘探钻孔CZK64资料也直接否定了深部裂缝的存在。如图9所示,邻近0+133正顶拱多点位移计仅1 m的钻孔电视观测成果说明,整个厂房顶拱深层岩体完整性好,并不存在明显的裂缝。所以,17 m深度测点的位移监测数据可靠性存疑,可能由于锚头与围岩耦合面灌浆不密实或出现松动,导致该测点自始至终无位移特征。

图  9  CZK64钻孔摄像展布图

Figure  9.  Wall image around borehole CZK64

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总体上,在排除0+133断面11～17 m处产生约50 mm的深部裂缝后,0+76—0+133段的“深层变形”应当主要发生在距离厂房顶拱开挖面17～26 m范围,亦即距离锚固洞0～9 m范围。

4.   “深层变形”成因机理

4.1   高应力集中

由工程现场的声波测试成果可知,厂房顶拱松弛圈深度都在2～3 m以内,应力集中显然不可能导致距离厂房17～26 m的“深层”岩体产生宏观裂缝与松弛。相反地,锚固洞开挖导致的围岩松弛深度尽管只有0.5～1 m,但其范围与前文推断锚固洞0～9 m“浅层”围岩产生破裂扩展和时效变形部位有所重叠,正是监测变形主要发生部位。

要使得锚固洞底板岩体产生破裂破坏的前提是具备形成应力集中的条件,如图10所示,E-W向锚固洞与N-S向最大初始应力近垂直相交,因此,FLAC^3D模拟^[9]的应力集中程度大于N10°W向的厂房和上部锚固洞,且应力集中水平普遍大于玄武岩的启裂强度40 MPa,所以,近E-W向展布的锚固洞顶拱和底板都具备产生破裂破坏的应力条件。

图  10  厂房顶拱和上方锚固洞围岩应力集中

Figure  10.  Stress concentration in surrounding rock of arch of powerhouse and anchored tunnel above powerhouse

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4.2   破裂扩展导致时效变形

图11（a）进一步给出了E-W向锚固洞的最大主应力分布特征,可见顶拱和底板都是明显的应力集中区。类比走向相同但开挖尺寸略大的母线洞围岩破坏特征（图11（b））可见,由于体形的原因,锚固洞底板围岩的破裂损伤深度大于顶拱,一般可达2～3 m,浅层松动圈可达0.5～1 m。

图  11  E-W向锚固洞浅层应力集中与破坏特征

Figure  11.  Stress concentration and spalling failure in shallow zone of E-W direction anchored tunnel

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考虑到地下厂房正顶拱多点位移计的安装基座端位于E-W向锚固洞底板以下0.5 m处,即位于洞室开挖的围岩松动圈,因此,多点位移计安装基座端并非真正的“不动点”。

4.3   多点位移计不动点抬动

E-W向锚固洞顶拱和底板应力集中区与松弛区的过渡带满足产生应力侵蚀（（${\sigma }_1-{\sigma }_3$）>1/3UCS）条件,可以导致破裂扩展。故一旦破裂形成,则会朝围压更低的方向扩容变形^[10],如使得底板产生抬动变形。图12所示的锚固洞顶拱喷层和底板混凝土的持续臌胀开裂证实了时效变形的客观存在。

图  12  锚固洞围岩时效变形与破坏现象

Figure  12.  Time-dependent deformations and failure phenomena of surrounding rock of anchored tunnel

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相应地,如图4和图12（c）所示的多点位移计的不动点受锚固洞底板岩体破裂扩展和时效变形作用而产生抬动,如图12（b）所示,将导致不同埋深（距厂房开挖面1.5～17 m）测点锚头与安装基座端间测杆都产生相同的拉伸量,若仍以距厂房26 m处安装基座端为不动点,则认为距离厂房开挖面1.5～17 m范围的围岩产生了向厂房内的同步整体位移,所以,多点位移计安装基座的抬动可以合理解释图6不同深度测点监测位移值同步增长的特殊现象。

此外,按照江权等^[7]根据钻孔摄像揭示的脆性围岩高应力破裂规律可知,破裂一般存在由浅及深的发育过程。对于2015年9月实测的位移突变,可以理解为锚固洞底板应力集中导致了一次比较大的破裂事件或者浅层破裂扩展影响区从基座端上部发展到了其下部,从而形成了一次位移突增。而后续破裂继续扩展导致了监测位移的持续增大。

总之,相对于厂房顶拱而言的“深层变形”实际上可能只是锚固洞周边浅层围岩变形在监测结果上的表征,真实的变形模式需要结合围岩的应力应变特征予以综合解译和验证。

4.4   围岩时效变形监测成果

对于锚固洞浅层围岩的时效变形特征可以进一步采用新增的监测成果予以验证。由图13所示2017年上半年的监测成果可见,远离厂房开挖面的C₄无明显的变形,印证了该洞段基本不受层间带影响的判断；而锚固洞顶拱浅层产生了5.5 mm的变形增量,是锚固洞浅层围岩产生了时效变形的直接证据。

图  13  多点位移计监测揭示的锚固洞顶拱时效变形

Figure  13.  Time-dependent deformations of anchored tunnel revealed by multi-point displacement monitoring

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相比于多点位移计而言,如图14所示的密集准分布式光纤光栅技术能够连续监测围岩内部的变形^[11],并且不存在假定“不动点”的影响因素。图15给出了右岸地下厂房顶拱新增光栅光纤的代表性监测结果,可见2017年5月至2018年11月的V～Ⅷ层开挖过程中,与0+76相邻的0+90断面距离锚固洞底板2～4 m处产生了4949$\text{με}$的微应变,直接证明了厂房“深层变形”洞段的锚固洞底板的抬动变形特征,其对多点位移计“不动点”的影响必然会导致不同深度测点监测值产生缓慢的同步等速增长。

图  14  现场实施的光栅光纤位移监测

Figure  14.  Field implementation of grating fiber displacement monitoring

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图  15  光栅光纤监测揭示的0+90锚固洞底板时效变形特征

Figure  15.  Time-dependent deformation characteristics at floor of anchored tunnel revealed by grating fiber optic monitoring on section 0+90

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总之,补充高精度位移监测成果直接证明了锚固洞浅层围岩的时效变形特征,也间接说明了所谓的厂房顶拱“深层变形”的成因机理。

5.   围岩变形及稳定性评价

5.1   围岩变形分布特征

鉴于锚固洞围岩破裂扩展导致了多点位移计“不动点”的抬动,从而致使不动点与测点之间产生了相同大小的相对位移,因此,实测位移中统一的增量部分只代表锚固洞浅层局部围岩向上抬动的变形,并不代表厂房顶拱围岩的真实变形特征,所以,在讨论厂房顶拱围岩变形时,相同的增量值应予以扣除。

图16给出了0+76断面监测的修正位移特征,其中顶拱各测点位移减去受不动点抬动影响的位移约30 mm,而下游拱肩测点（测线与底板上抬变形方向斜交）的位移减去受不动点位移影响的位移分量约5～10 mm,可见修正后的位移分布图还原了顶拱围岩开挖响应中应有的“变形梯度”特征,也与数值模拟的位移分布特征基本相符。

图  16  修正的监测位移分布与数值模拟成果对比

Figure  16.  Comparison between modified monitoring displacements and numerical simulation results

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总体上,修正后的顶拱位移分布说明右岸地下厂房顶拱岩体质量良好的0+76—0+133段在岩梁及以下分层开挖的变形增量并不明显,这一规律与白鹤滩（洞室规模相同、地质条件相似的）左岸地下厂房一致,同时,修正位移也能与该洞段锚索轴力增量、钻孔摄像和声波检测等成果相互佐证。

5.2   围岩稳定性评价

在厂房Ⅴ～Ⅶ层开挖过程中,边墙高度的不断增大导致厂房顶拱应力集中的持续增强,此时的监测位移增量实际上涵盖了下层开挖扰动作用和图15揭示的多点位移计安装基座端抬动的影响,而不同于Ⅲ～Ⅳ层开挖间歇单纯的时效变形。尽管以上两种因素在不同部位和不同阶段导致的位移分量呈现明显差别也难以具体分解,但其中“不动点”抬动的影响仍然是十分明显的,如图6所示Myc0+076-2实测位移的同步收敛特征可以进一步证明埋设于锚固洞松动圈内的安装基座端经历了高应力条件下应力侵蚀^[12]导致锚固洞浅层围岩时效变形的激发至逐步收敛^[13]全过程的影响。

此外,由图6可见,厂房机窝Ⅷ～Ⅹ层开挖导致顶拱围岩位移增量很小。至2019年3月,右岸地下厂房已全部开挖完成,其后半年时间内,位移监测曲线全部收敛,表明时效变形业已结束。

总之,按照图16所示的厂房围岩变形分布特征,可以说明0+76—0+133段由于地质条件总体较好,顶拱实际产生的变形量级基本都在30 mm以内且已收敛,加之声波测试成果判断的围岩松弛圈深度一般都在浅层3 m以内,故围岩整体稳定。

6.   结论

白鹤滩右岸地下厂房0+76—0+133段所谓的“深层变形”具有独特性。本文通过位移监测成果插值和数值模拟分析相结合,对围岩的变形模式、形成机理和稳定性进行了综合分析,结论如下：

（1）基于GoCAD插值技术直观展示的变形空间分布特征可见,“深层变形”发生在距离厂房顶拱开挖面17～26 m范围（即距离锚固洞0～9 m范围）,同时,厂房0～17 m围岩呈现类似块体变形的特征,变形增量特征和变形模式有悖常规认识。

（2）基于FLAC^3D的数值模拟成果说明,多点位移计的安装基座端（假定的不动点）在锚固洞底板岩体高应力破裂扩展、臌胀与时效变形作用下形成抬动,间接造成不同深度监测位移的同步等速增长与收敛,是“深层变形”的成因机理。

（3）现场勘察的锚固洞顶拱喷层和底板混凝土衬砌持续开裂现象,以及补充多点位移计和高精度光栅光纤位移监测成果,都直接证明了锚固洞底板时效变形的客观存在,并影响到位移监测成果,也印证了所谓的厂房顶拱“深层变形”实质可能是锚固洞围岩的浅层变形。

（4）根据厂房顶拱修正的变形分布规律、实际变形量级与收敛特征,结合松弛圈深度等检测指标,能够为顶拱围岩稳定性评价和动态支护设计提供技术支撑。

此外,研究工作表明复杂地质条件下的巨型地下洞室群围岩开挖响应极具复杂性,监测仪器的选择和布置都需要有针对性,如避免将多点位移计的安装基座端埋设于洞室应力集中区或松动圈内、有条件的情况下多选用诸如高精度光栅光纤等新型监测手段,同时,针对监测成果需要有所甄别,宜结合工程类比和数值分析等手段开展综合分析,从而正确判断围岩的变形模式和稳定特征。