本文是一篇土木工程论文，本文依托拉西瓦水电站和黄羊抽水蓄能电站，以地下厂房块状围岩为研究对象，采用地质调查、室内外试验、理论分析和数值试验等方法，基于硬质块裂围岩自身结构变化与围岩应力场和围岩变形场之间的相互作用，探讨了块裂介质岩体深部开挖卸荷的内在机理，分析了块裂围岩演化特征，提出了适应于块裂介质岩体卸荷演化的工程对策。
第一章 绪论
1.1 选题依据及研究意义
围绕国家“十四五”发展规划和2035远景目标纲要等国家战略的提出，我国对清洁能源的需求不断增大，以抽水蓄能为龙头的水利水电工程建设进入新的高峰期[1-4]。受区域地质条件限制，多数电站都将引水发电系统布置在山体内部，形成了一系列大跨度、高埋深的地下洞室群[5-6]，这类大型地下洞室群面临着结构面发育导致的块裂介质围岩卸荷失稳难题[7]。
岩体是一种始终赋存于某种地质环境中的复杂地质体，由于漫长地质历史过程中的变形破坏作用，岩体总是包含着各式各样、形态不一的结构面，这些结构面将岩体分割成大小不一、形态各异的岩块，由多组结构面与岩块组成且岩性较均一的岩体被称为块状岩体[8]。大量工程实测表明，块状岩体的卸荷力学响应是一个持续不断且非常复杂的演化过程，其本质是围岩应力重分布与岩体自身结构相互作用所引起的岩体再破坏和再变形[9-13]。特别是在深埋硬质块状岩体中，地下工程开挖会引起岩体自身结构与力学性质的变化[14]，使得围岩内部出现结构面的拉压、剪切变形与软弱结构面两侧岩块的滑移、错动[15]，导致地下工程开挖完成后相当长一段时间内，围岩内部仍会持续发生结构面的新生与扩展[16]，给地下工程施工与支护带来困难，严重时甚至可能导致围岩支护系统失效。
上述现象表明，深埋硬质块状岩体中的工程地质问题具有复杂性和普遍性。块裂介质岩体地下洞室开挖后，围岩应力、围岩压力和围岩变形都表现出不同于连续介质围岩的特殊时空演化规律，并不符合基于连续介质理论的围岩变形破坏特征，故而不能简单地把基于连续介质的结论应用于深埋块状围岩洞室稳定性分析。为了更好地服务实际大型深埋洞室建设，保障国家利益和人民群众的生命安全，研究动态卸荷条件下块裂介质岩体的演化特征和卸荷劣化机理，对工程实践具有重要意义。
1.2 研究现状
1.2.1 结构面基本力学行为
岩体在不同应力状态下具有不同的力学响应，其中卸荷条件下结构面力学行为一直是学界的重要研究内容[7]，现有研究可以分为结构面剪切力学行为与结构面法向力学行为两个大类。
(1) 结构面剪切力学行为
结构面剪切行为主要取决于结构面的表面形态、充填物质、面壁蚀变程度等特征[17]，对于无充填的硬质结构面而言，其剪切力学性质主要受表面形态与面壁强度的影响[18]。国内外学者基于结构面剪切试验结果，提出了众多结构面抗剪强度准则与剪切力学模型。Patton[19]研究了不同粗糙度和起伏度结构面的剪切变形特征，提出了锯齿状结构面的抗剪强度准则。Barton[20]提出了一种结构面粗糙度分类方法，并基于岩体直剪试验结果提出了结构面的JRC-JCS非线性剪切模型。赵坚[21]、Tang[22]认为JRC-JCS不能准确反映不吻合结构面的抗剪强度，提出了考虑节理吻合性的JRC-JMC模型。Kulatilake[23]、周辉[24]、曹平[25]以及Yang[26]提出了考虑不同因素的结构面粗糙度描述指标，在不同方面对JRC-JCS模型进行了改进与优化。
受结构面两壁不均匀接触和岩壁渐进损伤的影响，结构面切向变形往往表现出非线性特征[27]。为定量描述结构面的非线性剪切力学行为，Goodman[28]提出了描述结构面峰前剪切行为的变形参数（即剪切刚度Ks）。Kulhawy[29]研究了结构面的峰前剪切变形特征，推导了考虑极限剪应力的剪切刚度计算公式。包含[30]分析了单轴压缩和直剪条件下结构面的变形特征，推导了考虑结构面形貌特征的刚度计算方法。Ban[31]分析了剪切条件下结构面起伏部位的磨损劣化特征，得到了考虑结构面起伏程度的结构面剪切刚度。
第二章 围岩演化期间结构面的力学行为
2.1 围岩应力
2.1.1 天然应力状态
岩体是一种在漫长地质历史过程中，经历过变形、遭受过破坏，具有一定成分和独特结构并始终赋存于一定地质环境的地质体[131-132]。就其基本组成而言，岩体既包括完整的岩石，也包含各式各样不同成因、不同性质和不同规模的不连续面，如节理、裂隙、夹层等。按岩体结构的观点，前者称为结构体，后者称为结构面，两者同为岩体结构要素单元[51,132]。两者共同作用，决定了岩体变形破坏时的力学响应，承担了工程条件下岩体的力学作用。
从变形的表现形式上看成，岩体变形（U）由岩体的材料变形（Um）和岩体的结构变形（Us）两部分组成[52]，即U = Um + Us。其中岩体的材料变形主要为结构体的变形，受结构体力学参数控制，其弹性阶段的变形特征可用虎克定律来表示，由于岩石质地普遍较为坚硬，抗变形能力较强，可以认为在发生塑性破坏之前岩体材料变形是小变形，其力学行为与一般连续介质材料相比并没有本质上的区别。岩体的结构变形是结构体间相对位置改变引起的变形，由于岩体内部总是发育有各式各样的结构面，这些结构面作为岩体抵抗外力作用的薄弱环节，显著降低了岩体的完整性和整体抗变形能力，导致岩体在外力作用下更容易发生结构面的变形破坏，进而引起岩体结构的改变。所以，一般情况下结构面较为发育岩体的变形，是以岩体结构变形为主导的非连续介质问题。
天然应力状态下，岩体内任一点均处于三向应力平衡状态，岩体与其赋存的应力环境相适应，对于深埋地区硬质块状岩体而言，岩体内部结构面早已在天然高围压的作用下处于紧密闭合状态。这种紧密闭合接触有利于应力传递，使得深埋状态下岩体的力学性质满足或似于连续介质[8]，工程扰动后短时间内岩体仍表现出与完整岩石相类似的力学行为，岩体变形主要以岩体材料变形为主，结构面效应不显现。
2.2 围岩演化过程中结构面的基本力学行为
前述表明，岩体变形主要是以结构面变形为主导的岩体结构变形，外力作用下结构面的变形可以分为结构面扩展、新生和现有结构面变形两大类，由于前者涉及到了完整岩石破坏，而后者基本只由结构面自身性质控制。所以一般情况下结构面的变形总是以既有结构面的再滑动、再破坏为主，并且随着围岩应力状态的变化，结构面的变形模式也会发生相应的变化（图2-5）：可能受拉张或压剪作用而局部张开；可能受压而紧密闭合；也可能随着结构面法向与最大主应力间夹角的变化发生沿结构面的剪切滑动。
第三章 围岩结构面效应 ................................ 22
3.1 工程地质环境 .................................. 22
3.2 厂房区岩体基本特征 ........................ 23
第四章 围岩卸荷劣化机理 ........................... 36
4.1 围岩整体演化特征 .............................. 36
4.2 不同位置围岩演化规律 ............................. 37
第五章 基于卸荷劣化的洞室群围岩稳定性 .......................... 51
5.1 工程概况 ................................ 51
5.2 工程地质环境 ................................. 52
第五章 基于卸荷劣化的洞室群围岩稳定性
5.1 工程概况
黄羊抽水蓄能电站位于甘肃省武威市凉州区境内，电站计划安装4台装机容量为350 MW立轴单级可逆混流式水轮发电机组，属纯抽水蓄能电站，工程等别为一等大(1)型工程，抽水泵站和输水系统等主要永久性水工建筑物等级为1级。电站枢纽工程由上水库、输水系统、地下厂房及开关站、下水库等建筑物组成（图5-1），上水库代表方案位于黄羊河峡谷左岸支沟的近山顶石梯子处，正常蓄水位2503 m，死水位2468 m，调节库容821×104 m3；下水库代表方案正常蓄水位2012 m，死水位1982 m，调节库容821×104 m3，位于黄羊河干流上，截断河道成库。电站开发方式采用中部式开发，输水发电系统布置于上、下水库之间低中山丘陵区，采用地下洞室群作为主要水工建筑，输水洞线采用近直线布置，地下厂房部位地面高程约为2360~2446 m，上覆岩体厚度约467 m，为典型大型深埋地下洞室群。
6 结论与展望
6.1 结论
(1) 理论分析、工程实测和数值试验结果都表明，硬质块裂介质岩体洞室开挖后，围岩由似连续介质转变为非连续介质。受围岩应力重分布与围岩自身岩体结构变化的影响，洞室周边不同部位围岩变形表现出了一系列复杂的时间特性和空间特性。考虑结构面影响的非连续介质模型，可以较为准确的反映洞室周边不同部位及不同深度围岩的演化特征。
(2) 地下洞室开挖后，围岩变形与围岩应力既有普遍意义上的基本演化规律，同时又表现出时间上和空间上不均匀、不对称等众多特征。具体表现为：时间上，一点处围岩应力不再随时间推移持续增大或是减小，而是呈大小涨迭、波动变化；空间上，垂直洞壁方向围岩应力不再随与洞壁距离变化单调增加或减小，而是呈大小相间分布，并随着时间不断发展变化。
(3) 围岩卸荷初期，洞壁附近结构面受围岩卸荷影响发生局部张开变形，降低了围岩的完整性，阻止了结构面两侧岩体同步发生变形，使张开结构
