基于岩体结构面特征的地下水封洞库轴向优化

2021-02-04孙驰，宋琨，穆景超，梁佳佳

人民长江 2021年1期

孙驰，宋琨，穆景超，梁佳佳

(1.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌 443002； 2.三峡大学防灾减灾湖北省重点实验室，湖北宜昌 443002； 3.北京东方新星勘察设计有限公司，北京 100070)

中国是一个石油进口大国，正在加快战略石油储备基地建设，并且在未来还会建设更多的石油储备基地[1]。地下水封石油储备库是现阶段国内外主要的战略石油储备模式[2-4]，相比地面储油形式，地下水封石油储备库具有更安全、环保、经济等优点。地下水封洞库一般修建于工程地质条件较好、岩性以花岗岩、花岗片麻岩等硬质岩为主的地区。在硬岩中开挖修建地下洞室，其稳定性问题的关键主要在于由各组结构面和开挖临空面所形成的不稳定块体[5-6]。这些不稳定块体可能以沿着结构面滑落、直接掉落的方式发生失稳破坏，对地下洞室的稳定和工作人员的安全造成严重威胁。因此，在对洞室进行安全评价时要充分考虑岩体结构面对围岩稳定性的影响，进而优化洞室的布置方案。

对地下洞室进行优化设计时，大多数学者主要从洞室的轴向[7-8]、断面[9]和间距[10-11]等方面来对其展开研究。如邱治强等[12]通过结合FLAC3D三维数值模拟，研究了屏锦地下实验室二期8号实验洞洞室的最优间距和布置；徐大宝等[13]采用FLAC3D模拟某地下水封石油洞库开挖后围岩特殊点位移和主应力分布情况，优化其洞室轴向；宋琨等[14]采用基于正交设计的数值方法，优化了某地下水封洞室群轴向、埋深、间距。现有研究多是从洞室围岩变形角度优化地下洞室的空间布置。而对于岩体质量较好的地下水封洞库工程，更要考虑岩体结构面的空间分布对围岩稳定性的影响。

结合地下水封洞库的地质情况，根据现场获取的岩体结构面统计信息，应用块体理论[15-16]，研究不同轴向下洞室围岩的块体稳定状况，从不稳定块体的总体积、支护力以及不稳定块体数目3个方面考虑，对地下水封洞库的轴向进行优化，为地下工程中洞室布置轴向的合理选取提供了一些借鉴。

1 工程概况

地下水封洞库工程拟建场区属丘陵地貌，整体地形坡度为10°～15°，最高高程为105.4 m，处于场区西北部，最小高程为10.5 m，场地较平坦开阔，总体起伏不大。场区周边发育有4条断层和多条破碎带(见图1)。

库址区地层岩性以白垩纪晚期花岗斑岩(K2γπ)、二叠纪中期二长花岗岩(P2ηγ)为主，其中花岗斑岩在库址区西北部地表出露，二长花岗岩在钻孔大量揭露而地表无出露。花岗斑岩主要矿物成分为石英、钾长石、斜长石、黑云母，二长花岗岩主要矿物成分为钾长石、斜长石、石英、黑云母。

通过对场区岩体结构面的调查，发现多处节理裂隙密集带发育，这些规模较大且密集程度高的结构面会对洞库建设产生较大影响。

图1 场区工程地质平面示意Fig.1 Engineering geological plan of the site

2 岩体结构面特征

2.1 地表节理统计

采用测线法对地下水封洞库场区内花岗斑岩和二长花岗岩两种岩体地表的节理进行调查统计，并绘制节理等密度图。由于库址区地表无二长花岗岩出露，测量露头为库址周边的采石场。

由于花岗斑岩和二长花岗岩的形成时代不同(白垩纪和二叠纪)，因此对2种岩性的结构面分别统计分析。地表花岗斑岩的节理等密度图(762条节理统计数据)示于图2，地表二长花岗岩节理等密度图(312条节理统计数据)示于图3，其优势节理产状数据列于表1。

图2 地表花岗斑岩节理等密度图Fig.2 Contour plot of joints of surface granite porphyry

图3 地表二长花岗岩节理等密度图Fig.3 Contour plot of joints of surface monzogranite

表1 地表花岗斑岩和二长花岗岩优势节理统计

2.2 地下深部节理统计

为获取场区内深部岩体结构面的信息，在所有钻孔中应用了钻孔电视成像技术，并根据钻孔成像对地下深部二长花岗岩和花岗斑岩岩体内的节理进行识别与解译[17]，如图4～5所示。绘制2种岩体的节理等密度图，其中深部花岗斑岩节理等密度图包括1 635条节理统计数据，深部二长花岗岩节理等密度图包括2 087条节理统计数据，其优势节理产状数据列于表2。

图4 深部花岗斑岩结构面识别与节理等密度图Fig.4 Joints identification and contour plot of joints of deep granite porphyry

图5 深部二长花岗岩结构面识别与节理等密度图Fig.5 Joints identification and contour plot of joints of deep monzogranite

表2 深部花岗斑岩和二长花岗岩优势节理统计

2.3 优势结构面的选取

综合地表结构面精细调查和深部钻孔成像结构面解译结果，确定地下水封洞库区的优势结构面。主洞室埋置部位(洞顶标高-100 m)主要为二长花岗岩和花岗斑岩，其中二长花岗岩占54.1%，花岗斑岩占40.5%，其余为煌斑岩脉。由于洞库区主要为陡倾角结构面，钻孔对揭露该类结构面不利，并且洞库区无二长花岗岩出露，因此，优势结构面选取以地表花岗斑岩区结果为主，兼顾地表、深部二长花岗岩和深部花岗斑岩统计结果。确定的主洞室布置区的优势节理统计信息见表3。本次计算选取的优势结构面产状为320°∠60°，220°∠70°，280°∠75°，250°∠75°，具体参数如表4所示。

表3 场地内主要优势节理统计

表4 岩体结构面主要力学参数

3 洞室轴向优化

根据场地的4组优势结构面，借助Unwedge软件，采用块体理论对洞室围岩的块体稳定性进行分析计算。Unwedge是Rocscience公司基于块体理论开发，在建立洞室三维块体模型时需输入优势结构面产状、结构面力学参数、结构面迹长、洞室轴向以及岩石重度等参数。

地下水封洞库主洞室的断面形状为直墙圆拱形(见图6)，断面宽20 m，高30 m，主洞室长约700 m，洞室围岩块体稳定性的设计安全系数为1.5，优势结构面的力学参数列于表4。由于Unwedge程序每次仅能计算3组结构面形成的块体[18]，则4组优势节理形成4种不同结构面组合形式。主洞室轴向布置方位为0～180°，按10°间隔，共计18个轴向布置方案。因此，4组结构面组合形式，18个轴向方案，共计进行72次洞室围岩块体稳定性计算。

图6 水封洞库主洞室断面Fig.6 Section of the main caverns of underground water-sealed oil storage

3.1 不稳定块体总体积的分析

不稳定块体体积是评价洞室稳定性的一个关键指标，块体体积越大，对洞室的稳定性越不利，反之则越有利。图7统计了不同洞室轴向下4种优势结构面组合生成的不稳定块体体积的总和。从图7可以看出，不同洞室轴向下，不稳定块体的体积有较大变化。洞室轴向在0°～40°，70°～100°，140°～170°三个区间内块体体积较小。其中的最大块体体积为56.7 m3(轴向100°)，最小块体体积为46.0 m3(轴向0°)，两者相差约10.0 m3，整体上相差不大。在其他2个区间，块体体积增大较多，如轴向为60°左右，最小块体体积已经达到了93.0 m3，当轴向为110°时，块体体积最大，为119.0 m3。

上述分析表明：洞室轴向在0°～40°，70°～100°，140°～170°范围内时，不稳定块体总体积较小且变化幅度不大，对洞室稳定影响相对较小，初步选为较优轴向布置区间。

图7 不同洞室轴向下的不稳定块体总体积Fig.7 The total volume of unstable blocks with different axial directions

3.2 支护力的分析

在洞室开挖后，需对不稳定块体进行合理支护以期能达到满足要求的安全系数。一般而言，无论采取何种支护形式，使得块体达到稳定状态所需的支护力越大，支护难度和经济成本也将越高。因此，在优化洞室轴向时，在考虑块体体积大小的同时，也应考虑支护力这一因素。

为使不稳定块体达到相应安全系数需在其开挖面上施加一定的法向压力，该法向压力即为支护力。不同洞室轴向的不稳定块体支护力计算结果示于图8。从图8可以看出：当洞室轴向在0°～70°、160°～170°范围内时，支护力的值都较小，低于2.00×103kN；当洞室轴向在70°～110°时，支护力有明显增大趋势，110°时达到最大，为3.35×103kN；当洞室轴向在110°～170°时，支护力呈现出逐渐减小的趋势，在160°～170°范围支护力较小，都小于1.90×103kN。

对比图7和图8可知：支护力和块体体积随轴向变化的规律不一致，如在轴向为50°～60°和110°～130°区间时，不稳定块体体积存在两个峰值，而支护力随洞室轴向的变化先缓慢增大后减小，在轴向为110°时达到峰值。洞室轴向在80°～100°、140°～150°区间时，其不稳定块体的体积小于洞室轴向50°～60°区间，但其支护力却高于50°～60°区间。这是因为支护力不仅取决于不稳定块体体积，还与不稳定块体的稳定性系数大小有关。

图8 不同洞室轴向下的支护力Fig.8 The supporting force with different axial directions

上述分析表明，洞室轴向在 0°～40°，160°～170°范围内支护力较小，均小于1.90×103kN。最大支护力为1.88×103kN(轴向30°)，最小支护力为1.80×103kN(轴向20°)，两者仅相差80.00 kN。说明在此范围支护力变化幅度小，较为稳定。因此，从支护力角度，考虑较优的洞室轴向布置区间为0°～40°，160°～170°。

3.3 不稳定块体数目的分析

当不稳定块体总体积相同，块体数目越少，则需支护的部位就越少，这样可以降低支护所耗费的人力物力，进而节约经济成本，并且洞室围岩不稳定块体越少，也有利于其整体稳定。因此，将不稳定块体数目作为洞室轴向优化的一个指标。一般认为，不稳定块体体积小于或等于0.002 m3时，无需考虑支护问题[19]。在统计不稳定块体数目时将此体积范围内的块体剔除，得到如图9所示的不同洞室轴向下不稳定块体数目变化。