侯钦礼 张雨霆 孙海清

摘要：

巴基斯坦卡洛特水电站是首个完全使用中国技术和标准建设的境外水电站。该电站所在区域的弱胶结软岩具有成岩时间较晚、胶结性能较差、强度较低、易风化和水岩相互作用显著等特性，位于此类地层的引水隧洞成洞性、工程围岩稳定性值得重点关注。基于工程安全监测数据，开展了引水隧洞围岩力学参数反馈分析。结果表明：隧洞围岩虽为弱胶结性质，但反演获得的围岩力学参数优于设计值，隧洞的安全性也可以得到保证。经分析，认为主要原因是工程采用以“预先控水-及时封闭”为核心的弱胶结软岩地层隧洞设计支护理念，有效避免了地下水对泥岩的弱化影响，较好维持了围岩的力学性能。研究成果可为类似工程提供借鉴。

关 键 词：

弱胶结软岩； 水工隧洞； 围岩； 参数反演； 地下水； 卡洛特水电站； 巴基斯坦

中图法分类号： TV671

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.046

0 引 言

当前以及未来一段时期，中国将建设一大批水电站和抽水蓄能电站，这些工程建设需要在岩体中开挖修建大量的水工隧洞。水工隧洞往往具有线路长、区域广、涉及地质单元多的特点，不可避免地要穿越地质条件不利的岩层。弱胶结软岩具有成岩时间较晚、胶结性能较差、强度较低、易风化和水岩相互作用显著的特性，在此类地层中建设水工隧洞时，开挖卸荷作用易改变围岩性状，促使地下水向开挖面汇集，引发围岩弱化和承载力降低，不利于洞室稳定，该工程现象已被多个研究证实。张安斌等［1-5］对不同含水状态的泥质粉砂岩开展了单、三轴压缩试验、巴西劈裂试验、声波测试和声发射监测，从不同的试验角度揭示了含水导致泥质粉砂岩软化、强度和模量减小、变形由突发脆性向平稳延性转化的规律；李果等［6］发现泥岩和泥质砂岩的软化系数会随着含水率的增加而减小，且泥岩更易崩解；贺庆丰等［7-9］对不同含水条件下的弱胶结砂岩开展了单轴压缩试验和剪切试验，结果表明随着含水率的增大，弱胶结砂岩在加载前期的非线性及峰后脆性跌落现象更加明显，峰值强度、弹性模量逐渐减小，且试样破坏模式逐渐由劈裂破坏向剪切破坏转变；赵维生等［10］研究了含水率对弱胶结软岩巷道的影响，发现含水率增大将导致使围岩稳定性劣化；王秀英等［11］对弱胶结砂岩的强度特性研究表明，围岩开挖后暴露时间越长，围岩风化越明显，其内摩擦角降低就越明显。可见，开挖后弱胶结软岩的风化和含水率变化，是造成围岩承载能力降低的主要原因。

为有效控制弱胶结软岩隧洞的围岩稳定性，高发征［12］提出基于拱架-格栅联合支护的弱胶结软岩大变形防治技术；杨仁树等［13］提出了基于高强锚网梁索+喷浆密闭+底板锚注的支护系统来控制弱胶结软岩底板的隆起；刘坤等［14］研究了易崩解弱胶结软岩的失稳机理并提出超前钻孔卸压和初喷相结合的控制技术；倪绍虎等［15］对西南某大型电站尾水隧洞工程中突出的软弱层间错动带，提出了刚性支撑和柔性喷锚支护相结合的支护形式及方案。这些围岩稳定控制措施多从增强支护结构承载能力和适应变形能力出发来控制围岩稳定，治标而不治本，支护理念较被动，且支护成本较高。

由以上研究成果可知，造成弱胶结软岩隧洞围岩稳定劣化的根源，是洞室开挖活动使岩体暴露于开挖面，并改变了地层的赋水状态。因此，若在施工开挖过程中降低上述不利因素的影响，可有效规避驱使弱胶结软岩劣化的外因，进一步控制围岩稳定的演化方向，主动控制围岩，达到治本的效果。

由于施工运行阶段水工隧洞所处围岩环境的不断变化，为了及时合理地了解工程稳定状态，并开展进一步分析优化，需要了解围岩参数在赋存环境变化影响下的实时演化过程，围岩参数的反演分析成为工程建设的关键步骤。结合具体的工程背景，一些学者在弹性框架内进行了围岩力学参数（弹性模量、泊松比）的反演，田振［16］结合国外泥岩水工隧洞案例，采用洞内围岩水平收敛数据进行了围岩弹模和泊松比的反演；刘勇等［17］基于浅埋隧洞上方覆土位移监测数据，采用正交设计反分析方法，对松散土层、注浆加固层和初期支护的弹性模量进行了反演分析；佘远国等［18］利用平面隧洞围岩位移、应力的解析解，依据参数可辨识条件和量测优化布置的最灵敏原则，探讨了地下隧洞工程弹性反演参数的可辨识性及测点优化布置，并通过算例针对地应力场和弹模、泊松比进行了反演。

由于工程围岩在施工建设过程中往往经历塑性变形过程，因此仅对弹性参数进行分析仅能初步了解围岩的变形规律，无法分析其破坏状态，开展弹塑性框架内的参数分析显得尤为重要。卢斌强［19］、王海［20］等采用黄金分割法和有限差分数值方法，对隧洞围岩的弹性模量和黏聚力开展了位移反分析；张争等［21］采用现场收敛监测数据，基于BP神经网络和数值分析方法，反演获得了符合工程实际的围岩参数；张九丹等［22］采用并行遗传算法，对应力-温度-渗流多场耦合作用下的隧洞围岩参数和外水头进行反演分析，得到了更接近实际的反演效果；张海洋等［23］采用数值模型模拟了木寨岭隧道大战沟斜井试验洞的开挖蠕变过程，建立并验证了隧道宏观变形特征值与围岩力学计算参数之间的BP神经网络，并根据现场变形监测数据，反演得到了炭质板岩的塑性及蠕变力学参数；何殷鹏等［24］提出了一种融合多种机器学习算法的智能反演模型與分析方法，通过围岩力学参数对测点位移的参数灵敏性分析分别针对弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角四种不同的反演目标，构建了对应的智能融合模型；夏怡［25］采用自行编制的改进型BP神经网络程序，通过粒子群优化算法确定了神经网络的隐层神经元的数量，并基于隧洞实测位移数据对硬土弹塑性力学参数进行了反演；张顺峰［26］针对西甘池隧洞施工项目，结合现场观测隧洞围岩变形资料，反演了工程区围岩的弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力；汪启龙等［27］对长期浸水隧洞围岩的力学参数开展了分析研究，根据浸水前/后的围岩变形数据，反演了围岩物理力学参数，进一步对工程稳定性进行评价，结果表明，浸水后围岩力学参数有不同程度劣化，对工程整体稳定性影响较大；陈方方［28］、刘乃飞［29］等基于复变理论提出了一种隧洞围岩弹塑性参数反演的方法，将监测位移曲线分为弹性和塑性两部分，基于弹性解构建了隧洞围岩弹性参数的反演理论，基于隧洞开挖的应力释放规律改进了围岩强度参数的反演评价标准，并进行了工程验证；何勇军等［30］归纳总结了输水隧洞工程施工和运行期的安全监测内容和要求，指出“围岩收敛位移是隧洞开挖后最直接的响应之一，是了解围岩体变形性质的基础信息、评价稳定性态的依据，也是反演力学参数的基本依据”。

综上可见，尽管不同学者采用了多种不同的智能算法进行反演分析，但根据围岩变形数据进行围岩弹塑性力学参数反演已经是相关研究人员公认的较为合理的工程稳定性分析方法。据此，本文依托巴基斯坦卡洛特（Karot）水电站引水隧洞的施工全过程，通过分析弱胶结地层的赋水状态和围岩性状等因素，初步评价含水率对弱胶结软岩力学性能的影响，并根据隧洞围岩变形开展力学参数反分析，通过工程措施效果和围岩参数分析，进一步明确弱胶结软岩地层隧洞支护理念。

1 工程概况

卡洛特水电站位于巴基斯坦旁遮普省吉拉姆（Jhelum）河、卡洛特桥上游1.75 km处。水库正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下库容16 450万m3，电站装机容量720 MW。电站采用地面厂房方案，引水发电建筑物主要有进水口、引水隧洞、上游调压室、地面厂房和地面升压站等组成。

电站引水隧洞采用一机一洞布置，共4条，洞轴线间距27～35 m，洞径9.5 m，最长558.56 m，上平段埋深40～70 m，下平段埋深68～75 m。引水隧洞围岩岩性主要为厚层-巨厚层状砂岩、薄-中厚层粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩或呈不等厚互层状，岩性复杂。隧洞区岩层倾向95°～105°，倾角7°～10°。隧洞区地表未发现规模较大的断层，主要有3组裂隙发育于厚层砂岩中，一般短小，贯通性结构面不发育；钻孔揭露岩体完整-较完整。输水线路的典型工程地质剖面如图1所示。

项目团队对现场不同岩性的岩石开展了系统的现场和室内试验，揭示了弱胶结泥质粉砂岩、砂岩的低密度、高含水率、高吸水率、高孔隙率、弱抗风化能力、低强度和弱膨胀性等典型物理力学性质，并得到了其典型物理力学参数取值，见表1。可知，对于弱胶结的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和中砂岩，遇水前后围岩的力学性能有较大程度的降低，强度最大降低幅度达55.6%。在工程建设过程中，为了有效保护围岩的承载能力，提出了以“预先控水-及时封闭”为核心的弱胶结软岩地层隧洞支护理念，洞室开挖前，对围岩进行高压阻水灌浆，实现围岩的预先控水，并通过监测涌水量检验阻水效果，洞室开挖后，及时施作全断面系统锚杆和喷层，保证围岩的及时封闭，并在隧洞开挖完成后施加混凝土衬砌。

2 参数反演分析方法

为了充分掌握引水隧洞围岩在施工全过程中的演化规律，项目团队采用弹塑性仿真反分析方法进行反

演［28］，通过现场引水隧洞的围岩变形监测数据，反分析得到围岩力学参数，掌握工程支护措施作用下围岩的真实力学状态，并进一步对工程稳定性进行合理评价。本研究采用的反分析主要思路为：将工程建设和运营过程中的围岩变形分为弹性变形和塑性变形兩部分，弹性变形部分可通过弹性框架下围岩变形的解析解进行围岩弹性参数（弹性模量、泊松比）的反演分析，塑性变形部分可通过数值方法进行围岩强度参数（黏聚力、内摩擦角）的反演分析。

2.1 目标函数

目标函数是评价反演分析效果的直观指标，本研究采用最小二乘法来确定目标函数，具体形式为

f（x）=∑ni=1［uci（x）-umi］2（1）

式中：f（x）为目标函数;x为待反演变量;uci为测点i的位移计算值;umi为测点i的位移实测值;n为测点数。

反分析的目的就是通过变量的优化搜索，不断分析计算测点处位移，使得目标函数f（x）取得最小值，即可得到最接近工程实际的变量x。在变量搜索过程中，可以采用区间取半搜索法或黄金分割搜索法。

2.2 弹性参数反分析方法

无支护圆形洞室围岩变形的弹性解析解［31］式（2）～（3）可以代入不同测点的监测位移进行对比，计算得到围岩的弹性参数。

u=Pr204Gr（1+λ）+（1-λ）4-4μ-r20r2cos2θ（2）

v=-Pr204Gr（1-λ）（2-4μ）+r20r2sin2θ（3）

式中：u为测点径向位移，m;v为环向位移，m;P为远场竖向应力，MPa;λ为远场侧压力系数;r0为洞室开挖半径，m;r为测点与洞室圆心的距离，m;G为围岩的剪切模量，GPa;μ为围岩泊松比;θ为测点与洞室圆心连线与竖直面的夹角，（°）。

由于公式中各变量的耦合作用，将拱顶和拱腰的变形解析解进行单独分析，拱顶和拱腰洞壁围岩的径向位移分别为

uθ=0°=Pr04G［4-2λ-4μ（1-λ）］（4）

uθ=90°=Pr04G［4λ-2+4μ（1-λ）］（5）

式中：uθ=0°为拱顶围岩径向位移，m;

uθ=90°为拱腰洞壁围岩径向位移，m。

二者对比可以看出，拱顶和拱腰洞壁围岩的径向位移之比与弹性模量无关，仅与远场侧压力系数和泊松比相关。因此，可以通过拱顶和拱腰洞壁围岩的位移之比计算得到泊松比，进一步计算得到围岩弹性模量。

2.3 强度参数反分析方法

工程中采用的岩体强度准则最广泛的往往是Mohr-Coulomb强度准则，其强度参数主要指围岩的黏聚力c和内摩擦角φ，其初始值通过现场和室内试验测得。但由于工程不同时刻、不同部位围岩所处的应力环境、渗流环境均不相同，导致围岩时刻变化的力学参数与围岩的宏观变形呈现高度的不均匀性和非线性，一般来说，基本无法采用解析的方法来进行强度参数的反演。因此，项目结合有限差分数值分析方法（FLAC3D），通过构建工程三维模型，还原洞室围岩的复杂赋存环境，并采用取半搜索法进行模型参数的调整，通过计算围岩变形规律，对比得到不同参数组合下的目标函数取值，进一步确定最优的强度参数反演结果。

3 围岩力学参数反演结果

3.1 反演基础数据

4号引水隧洞在施工过程中布置了2个收敛监测断面，每个断面在拱顶、拱腰和拱座位置埋设3套多点位移计，以监测不同位置、不同深度围岩（孔口、3 m、8 m）的变形发展情况，其多点位移计布置信息如表2所列。

根据现场监测数据，4号引水隧洞围岩多点位移计的最大累计位移量为14.35 mm（M12DT），蓄水后的累计增幅约0.62 mm，变幅较小，其全阶段变化过程曲线如图2所示；其他测点的位移量均小于8 mm，变幅较小，变化趋势基本稳定。所有测点的位移监测结果如表3所列。

3.2 弹性参数反演结果

对监测数据进行分析可以看出，在洞室开挖和运行过程中，围岩变形基本可分为施工阶段的瞬时弹性变形和应力调整阶段的塑性变形，以M12DT为例，可初步确定：施工阶段孔口围岩变形为11.15 mm，其中弹性变形6.71 mm，塑性变形4.44 mm，施工结束后，围岩赋存环境逐步恢复，产生塑性变形2.13 mm。蓄水后，由于工程围岩应力环境改变，产生弹性变形1.13 mm。

根据以上数据和2.2节方法，可以反演得到施工期围岩中粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层的弹性模量和泊松比分别为E=3.22 GPa、 μ=0.30，蓄水前后围岩中粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层的弹性模量和泊松比分别为E=3.15 GPa、 μ=0.31。

对比可以看出，工程施工完成后，经过一段时间的围岩应力调整和环境恢复，围岩的弹性参数略有变化，但并不显著，表明在该段时间内围岩状态并未发生明显的改变，说明在合理的灌浆、支护等工程措施作用下，外部环境并未对围岩形状产生显著的劣化影响。

3.3 强度参数反演结果

采用有限差分数值分析方法，构建工程三维数值模型，如图3所示，水平方向跨度为210 m，铅直向跨度为130 m，共剖分了8 454个单元和17 240个节点。其地层取自上游管道的典型断面，地层结构如图1所示。数值模型计算时，地表表面自由，除底部为固定约

束外，其他各面均为法向约束。围岩体力学模型采用带拉伸截止限的理想弹塑性Mohr-Coulomb强度准则，衬砌单元采用弹性模型，根据C25混凝土标准，弹性模量取28 GPa，泊松比取0.167。

研究采用取半搜索法对围岩中粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层的强度参数进行调整，考虑到内摩擦角φ的影响，本研究中取摩擦系数，即tanφ值，进行取半搜索，并保持黏聚力c和摩擦系数tanφ与初始值比例的一致性。对围岩参数进行赋值后，计算工程围岩从施工到运行的全过程，并提取相应测点处的位移计算结果，典型围岩变形计算结果如图4和图5所示，进一步计算不同方案的目标函数值，具体计算方案和结果如表4所列。

对比计算结果可以看出，随着参数搜索范围的不断缩小，目标函数逐渐趋近于最小值，其变化曲线如图6所示。

分析曲线规律可以得出，当黏聚力c=0.46 MPa，内摩擦角φ=27.7°时，目标函数取得最小值，表明此

时数值计算结果与实测变形结果最接近，即最符合当

前围岩力学性能的强度参数取值为黏聚力c=0.46 MPa，内摩擦角φ=27.7°。与设计值相比，该值相较设计值略大，表明在当前状态下，围岩的力学性能优于设计参考状态，工程整体处于安全稳定状态。此外，也可以从侧面反映出，工程采用以“预先控水-及时封闭”为核心的弱胶结软岩地层隧洞支护理念，在保障工程围岩力学性能方面发挥出了较好作用，有效阻隔了地下水对围岩的劣化，保障了围岩的承载能力。

4 结 论

针对巴基斯坦卡洛特水电站引水隧洞工程的弱胶结围岩工程力学性能开展研究，采用弹塑性仿真反分析方法对围岩力学参数进行了反演，得到以下几点结论：

（1）通过现场和室内试验，揭示了弱胶结围岩遇水劣化的性质，其强度最大降低幅度達55.6%，工程中基于此提出了以“预先控水-及时封闭”为核心的弱胶结软岩地层隧洞支护理念。

（2）基于引水隧洞位移监测数据开展了围岩力学参数的弹塑性仿真反分析，得到了粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层的弹性模量和泊松比，施工期分别为E=3.22 GPa、μ=0.30，蓄水前后分别为E=3.15 GPa、μ=0.31，变化并不显著。

（3）基于当前的位移监测数据，反演得到了粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层的黏聚力和内摩擦角，分别为c=0.46 MPa、φ=27.7°，较设计值略大，表明当前状态的围岩力学性能优于设计参考状态，工程整体处于安全稳定状态，也表明了工程支护理念的合理性和有效性。

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（编辑：唐湘茜）