回眸白鹤滩
2021年6月28日，川滇交界的金沙江上，滔滔江水滚滚流入，驱动两台百万千瓦水轮机组高速转动，全球在建规模最大、单机容量最大、技术难度最高的水电工程——白鹤滩水电站首批两台机组投产发电。朱焕春教授带领加华地学团队承担了该水电站岩石力学专题方面的部分工作内容，以下为其本人回忆总结：
昨天从刷屏的消息中得知白鹤滩水电站首批机组发电，回想2006~2013年期间，我曾带领团队承担了白鹤滩岩石力学专题方面的一些研究工作。不过，白鹤滩工作的研究成果却一直未曾公开发表，而是都尘封在计算机硬盘和自己的脑海中。在工程接近竣工的时候，产生了触动，于是动手把研究过程的一些前因后果梳理了一下，留点文字材料，算是对既往工作的总结。
(一)左岸边坡
坝址区边坡是工程早期阶段（预可研、可研）的重点研究对象之一，当时应该有多家单位承担了边坡专题的研究工作。现场工作期间，我遇到了现任国家生态环境部部长黄润秋教授（当时任职于成都理工大学）带领的团队，浩浩荡荡差不多20余人。而当时我却一个人单枪匹马，甚是羡慕。或许是由此产生的交集，后来不久应黄教授之邀，我去成都理工大学作了一场数值模拟主题的报告，报告大厅座无虚席，连过道都挤满了学生，场面很是壮观。黄教授说这种情形不多见，他所知道的是第二次。看来数值模拟技术在高校还是广受欢迎。
2006~2008年期间在做左岸坝肩边坡专题时，我推测一些确定性结构面切割形成的大型确定性块体不会整体滑移，而是在沿贯通性平缓底滑面变形时可能出现解体破坏。针对左岸坝肩边坡的数值分析对模型精度要求很高，为此我先创建了左岸坝址区的地质三维模型，然后通过编制代码的方式直接“生成”3DEC数值计算模型，保证了数值模型与地质模型具有相同的精度。这或许是国内首次实现地质模型转数值模型的工程应用，但也仅仅是取巧的“工艺”而已。后来团队中做研发的同事一直努力把工艺转换成技术，靠一点一滴不断积累，10余年后才取得突破性进展。
图 1（左）是当时创建的左岸边坡三维地质模型，其中黑色方框区域是坝肩边坡所在部位，图 1（右）是基于该范围创建的三维数值计算模型，用于研究左坝肩边坡的整体稳定性。图 2给出了数值模型的计算结果，显示LS337作为底滑面、与F14切割形成的块体稳定性相对较差，但缺乏明确的后缘边界，块体不同部位稳定性存在一定差别，且LS337前缘出口一带稳定性相对最差，因此存在解体破坏的可能。
图 1：白鹤滩左岸三维地质模型（左）和坝肩范围的边坡计算模型（右）
图 2：白鹤滩左岸坝肩边坡整体稳定性数值模拟结果
数值模型揭示的结果能够从地质三维模型显示的岸坡形态和地质条件得到印证，地质三维模型显示坝址下游自然岸坡形态完整性较差，指示了历史上岸坡块体失稳破坏后的形态。起底滑面作用的平缓层面倾斜线倾向河谷偏上游岸内，大型块体沿滑面发生变形后，一些部位会不断受到上游岸坡侧边界的约束，可能由早期的整体滑移变形逐渐演化成解体破坏。于是，我从地质三维模型中针对性地选择了LS337和F14切割形成的块体作为对象，直接生成了范围相对更小、精度相对更高的3DEC模型（图 3）。
图 3：白鹤滩左岸坝肩边坡确定性块体破坏模式研究的3DEC模型
图 4：白鹤滩左岸坝肩边坡确定性块体破坏模式3DEC模拟研究结果
图 4表示了针对该块体的深化研究成果，研究过程考察了将J110作为后缘边界的情形。结果显示，对于LS337、F14和J110切割形成的块体：
(1)如果假设块体完整（如刚性块体），该块体整体滑移；
(2)如果考虑变形过程块体内部节理的影响时，该块体产生解体破坏。
显然，后一种情形更接近现实，解体破坏的工程影响也小很多。
受当时条件下地质模型转计算模型“工艺”能力限制，计算模型实际上由多个三棱柱拼装而成，各三棱柱的顶面构成地质模型的地表三角网。在计算模型中，三棱柱的三个侧面被假设为节理面。显然，这种假设与现场节理的实际分布存在差别。这点不足在后来的工作中也得到了改进，在2012年开展黄河拉西瓦水电站果卜岸坡的相关研究时，三维计算模型中节理组直接来源于样本统计结果，能更真实模拟现实条件。图 5（左）为平硐揭露的结构面露头样本统计结果，图 5（右上）为4组优势结构面的地质三维模型，图 5（右下）为真实模拟这4组结构面的三维计算模型。对于我这种以勤补拙类型的工程研究人员而言，一点点进步确实需要付出很长时间，而且还离不开这些复杂工程的实践基础。
图 5：根据优势结构面统计结果创建的地质和计算模型
(二)坝区地应力
受层面构造、断裂构造、地形地貌和岩性条件等多个因素的影响，白鹤滩坝址区地应力分布特征非常复杂，不同建筑物之间、同一建筑物范围内的不同具体部位地应力变化性很大。在前期勘察阶段的不同时期，针对不同建筑物部位开展了大量的测试工作，累计完成的测点数量超过1,000个，但数据的分散性突出，导致难以直接根据统计结果获得工程设计需要的地应力状态和相应的参数。
在承担地应力专题研究任务以后，我们从三个方面开展研究：首先是坝址区地质构造条件和地形地貌条件的影响，决定了地应力场的“分区、分块”特征；其次是现场高应力破坏现象，主要指两岸厂房勘探平硐内的片帮破坏和钻孔岩芯饼化现象（坝基），进一步了解各主要建筑物部位地应力场的特征；最后是对地应力测试资料进行分析，包括有效数据的筛选、有效数据工程代表性判断、有效且具有代表性数据的综合分析等几个方面的具体工作。
坝址区地应力“分区、分块”特征研究从构造地质和河谷演化的角度入手，先进行定性分析，然后采用数值模拟手段进行验证（图 6）。定性分析和定量验证结果显示，两岸岸坡、坝基、两岸厂房等5个部位地应力之间存在差异。图 6显示，左右两岸厂房相对远离河谷，主要受断块错动特征的影响，右岸还与上部褶曲构造和埋深相关，因而相对更加复杂。两岸岸坡和河床受河谷演化的影响非常明显，都显示了比较异常的地应力特征，埋深不大的导流洞在开挖期间都出现了典型的高应力破坏，印证了前期认识。2011年我邀请曾任国际岩石力学学会副主席的L. Lorig博士前往现场，当时左岸导流洞开挖段埋深仅200m的水平，我指出现场破裂现象系异常地应力状态作用的结果，他觉得200m埋深过浅、不足以导致岩浆岩出现应力型破坏。讨论期间拱肩发出清脆的岩石破裂声响，印证了我国西部地区复杂地质条件导致的地应力异常变化。
图 6：地质构造和地形地貌决定的坝址区地应力分区特征
在建立坝址区“分区、分块”的认识以后，研究工作的第二步是现场现象的解读，主要针对两岸地下厂房区，判断地应力的基本状态和地应力异常变化的控制因素；然后对解读结果进行数值验证，验证过程可以帮助量化认识。研究过程详细调查了现场厂房勘探平硐出现的应力型破坏现象（破裂、片帮和应力坍塌等），其中比较普遍、指示意义强的片帮调查结果参见图 7。基于这些现场现象即可获得如下认识：
(1)两岸地下厂房区均为潜在逆断型地应力状态，都以两个水平主应力相对接近、与垂直主应力相差较大为基本特征，其中右岸厂房更突出（应力量值更高、最大和最小主应力之间的比值更大）。右岸最大主应力为近NNW~SN向，左岸与区域构造应力方向接近（NW~SE向），二者之间存在一定的差别。
(2)厂房平硐片帮现象由地应力异常升高引起，其中层间错动带影响最大，如左岸厂房的C2和右岸的C4，其次是层内错动带等次级构造。可以预见，施工期洞室开挖时这些构造可以导致更严重的破坏现象；鉴于白鹤滩平硐片帮较锦屏一级普遍且严重，这些构造引起的地应力异常对工程的影响程度应比锦屏一级更突出。
图 7：右岸地下厂房平硐片帮等级划分和分布
图 8：右岸地下厂房平硐片帮揭示地应力状态的数值验证
图 8是对右岸厂房平硐片帮解读结果的数值验证，不仅验证了前述定性解读结果，而且揭示最大主应力方向为NNW向，且最大和最小主应力比值达到2.2左右。注意图 8（左下）是勘探平硐典型片帮现象的照片和素描结果，反映了不同轴线平硐围岩高应力破坏特征及彼此间的差异，是工程前期阶段缺少监测数据时验证地应力场、围岩参数取值合理性的关键性依据。当数值模拟能够再现这些破坏特征时，能够基本保证地应力、围岩参数取值的工程可靠性，有效避免数值模拟与现场实际之间可能出现的脱节问题。
大约在2009年，我邀请了M. Board院士前往白鹤滩，其中任务之一是帮助复核地应力研究成果，此前他刚在锦屏二级完成深埋隧洞岩爆问题的现场工作。记得当时我站在右岸PD62-1、PD62-2、PD62-3的交叉口处（参见图 7和图 8中的J点），观察三个不同轴线方位支洞片帮破坏特征和彼此之间的差异，进一步确认了前面的认识；特别地，片帮主要是地质构造导致地应力局部异常变化的结果，会以相同的规律影响到洞室群开挖。
最后一个环节落实到基于地应力测试数据的分析，一个基础问题是测试工作是否规范和数据质量是否满足要求，为此我邀请了改进水压致裂地应力测试技术发明人、国际岩石力学学会地应力测试相关标准的编写人、法国里昂大学F. Cornet教授一起工作。他把1,000多组数据进行了梳理，最后保留了其中的90多组；然后我利用这90多组数据，结合前面基于地质构造和地形地貌等方面的研究成果，分析这90多组数据的工程代表性。因为有前面的工作基础，我能比较容易地根据地应力测试结果“恢复”出沿PD62平硐从岸坡到厂房的地应力状态和最大主应力方位的变化，使得基于不同来源的认识能够彼此印证、形成闭环。我把这一分析结果写进了最终的报告，后来我在美国Minneapolis（美国黑人“我不能呼吸”事发地）遇到F.Cornet教授的博士导师C. Fairhurst院士，从他那里得知F.Cornet教授对我们工作的高度赞扬，应该是指的这个环节。
虽然后来我带领团队对如美水电站坝址区地应力场进行了系统研究，其中竹卡断裂导致的地应力场变化和现场现象解读也很具特色，但就资料的全面性、成果之间的一致性及其在施工阶段的实践印证性而言，到目前为止，在我们完成的所有地应力专题研究中，白鹤滩取得了最全面、最有突破性的成果。
这项研究的一点体会是：地应力研究需要综合多种手段、利用好多方面的资料。尽管测试手段可以获得定量数据，但对工程而言，这些数据所代表的意义非常重要，对数据的理解和正确应用，仍然离不开定性的宏观判断，在复杂条件下，后者往往更可靠。
(三)参数取值与验证
锦屏二级深埋隧洞等高应力条件下的研究和实践证明，当存在高应力破坏现象时，HB强度准则比摩尔-库伦强度准则更具优势。白鹤滩地下厂房勘探平硐揭露的围岩片帮破坏现象明确指示厂房开挖期间围岩高应力破坏不可避免。为此，白鹤滩地下厂房围岩稳定的研究工作中采用了HB强度准则，确定HB准则的峰值、残余强度参数成为研究工作的基础。尽管HB强度准则在国际上普遍使用，建立了包括现场调查和室内试验的完整工作流程，帮助确定HB强度准则的参数。按照我国水电行业相关标准开展的岩石室内结果虽然也适用于HB强度准则，但需要补充开展现场岩石力学编录。
图 9：沿右岸PD62平硐岩石力学编录获得的RMR
图 9是沿右岸平硐PD62岩石力学编录结果，加上勘测工作按照水电行业技术要求获得的室内单轴、三轴试验结果，满足HB峰值强度参数取值的要求。不过，为满足研究工作对输入参数及其可靠性的要求，不仅还需要补充开展峰后强度参数取值，而且还需要证明这些取值结果能够反映现场实际条件。
峰后强度参数取值和峰值、峰后强度参数取值结果的验证工作都缺乏成熟的标准和流程，在工程前期阶段缺乏监测数据的现实条件下，需要依靠研究人员在现场寻找可靠依据，帮助确定和验证相关参数取值结果的合理性。
白鹤滩右岸厂房勘探平硐中出现的片帮现象是围岩非线性力学行为的结果，当初始地应力取值、围岩峰值和峰后强度参数取值都相对合理的情况下，数值计算模型应该能够同时“再现”不同方位支洞中的片帮现象。由于片帮是高应力作用的结果，因此，数值模型中的应力集中区可以视为现实中的片帮破坏；应力集中区位置、集中区形态等特征，与现场片帮破坏位置和破坏坑形态等同。
图 10：右岸PD62平硐围岩高应力破坏的3DEC模拟结果
图 10表示了依托右岸PD62平硐典型片帮破坏现象、采用3DEC模拟的方式实现的“数值再现”结果，图 10（左）表示了“数值再现”所选择的四个典型片帮位置，分别位于PD62、PD62-1、PD62-2和PD62-3（现场片帮形态参见“回眸白鹤滩之二：坝区地应力”插图中的照片和素描结果）。图 10（右）为3DEC模拟结果，应力集中区分布与现场平硐片帮破坏特征吻合良好，对应的地应力场、围岩峰值和残余强度参数值能够可靠地代表实际情形，在适当考虑尺寸效应影响后，可用于包括地下厂房洞室群在内的相关研究。
对于白鹤滩地下厂房围岩稳定研究工作而言，上述这些都属于幕后工作，但能够保证数值模拟结果的工程可靠性。数值模拟输入条件的复核和验证，是工程问题数值模拟不可或缺的关键环节。因此，数值模拟人员不仅需要会敲键盘，更需要能够走进现场，用力学眼光读懂地质现象才是精髓所在。
(四)右岸地下厂房
白鹤滩地下厂房的百万装机方案要求主厂房开挖跨度达到34.5m，成为国内水电站地下厂房之最。前期阶段关于围岩稳定和支护方案的论证过程大量采用了数值模拟手段，所创建的厂房数值计算3DEC模型非常精美，引起了3DEC开发负责人M. Christian的关注，并将该模型用于3DEC的启动界面，也算是向全世界范围的相关专业人士宣传了白鹤滩工程。
图 11：白鹤滩地下厂房百万装机方案围岩稳定分析的3DEC模型
当然，精美的模型只是消除不必要的计算误差，研究的重点仍是明确厂房施工期问题所在、措施的有效性和优化意见。研究工作包括两大基本内容：洞群开挖结构面控制的块体破坏风险和地应力控制的围岩高应力破坏风险。前者是水电行业常见的工程问题，因此也积累了丰富的实践经验；相比较而言，水电行业对高应力问题要陌生一些，在设计、尤其是施工环节缺少足够的应对经验。客观地，白鹤滩地下厂房高应力破坏程度并不高，行业经验相对不足是决定工程影响程度的重要原因。
图 12给出了右岸地下厂房开挖后围岩中潜在不稳定块体的分布，红色表示稳定性最差，黄色表示较差的情形。显然，非连续数值模拟技术能够帮助明确工程关心的块体稳定问题，由于结构面产状相对稳定，这类数值模拟结果的工程可靠性主要受结构面延伸性影响，可以在施工期通过地质编录复核和修正。
图 12：右岸厂房块体稳定3DEC模拟结果
图 13：白鹤滩（左）和锦屏一级（右）厂房勘探平硐片帮现象对比
即便在工程前期阶段，工程类比方法也适用于预测白鹤滩厂房开挖过程中围岩高应力风险程度。图 13对比性地给出了白鹤滩（右岸）和锦屏一级勘探平硐的典型片帮现象。注意锦屏一级厂房平硐片帮受薄层结构、地应力双重因素的影响，从单纯应力因素引起的破坏程度而言，白鹤滩片帮显然地高于锦屏。因此，锦屏一级厂房施工期出现过的高应力问题，同样也会出现在白鹤滩，并且程度上会比锦屏一级更严重。如果希望高应力破坏对白鹤滩的工程影响比锦屏一级更小，需要在支护设计、尤其是施工技术要求方面有所突破，否则其工程影响将比锦屏一级更大，这是前期阶段研究工作所预测的结果。
图 14：白鹤滩右岸主厂房顶拱围岩高应力破坏风险的前期预测结果（2011）
数值方法可以在工程类比基础上更具体地预测高应力风险区的部位，白鹤滩右岸地下厂房勘探平硐开挖过程明确指示了片帮现象与C4等构造的内在关系，当C4经过洞室群顶拱围岩时，高应力破坏风险很高。图 14展示了针对这一特定问题的数值模拟结果：C4经过右岸厂房靠南端墙一带的顶拱围岩，受其影响，在内端墙约65m范围内是严重的高应力破坏区。勘探平硐不支护使得片帮岩体掉落而影响人员安全，厂房顶拱围岩的系统支护使得破坏围岩被封闭、从而影响支护受力和支护安全，工程影响方式发生变化。平硐片帮具有强烈的时效性，这是硬岩高应力破坏固有特点，一定会出现在右岸厂房顶拱高应力破坏区，表现为围岩持续变形、喷层开裂和剥落、支护受力持续增大等形式。
在前期研究阶段发现这些问题后，研究团队提出并推荐了抑制围岩高应力破坏的基本原则和相应的成熟措施，原则是坚定地执行及时支护、最大程度维持围岩围压水平和围岩承载力，延缓支护只能导致围岩不可恢复破坏范围的增大和造成更大的困难；及时支护产生的支护安全问题通过优化支护类型（如增加柔性锚杆）和施工技术要求实现。这类措施在深部矿山开采实践中普遍采用，在锦屏二级深埋隧洞施工期借鉴使用也证明行之有效，但确实缺乏水电站地下厂房大型洞室群的应用案例，这要求决策过程多一些胆识、承担一点风险。
在2013年3月最后一次完成白鹤滩现场巡视后，我离开了白鹤滩研究团队，工作重点转移到广东开平中微子地下实验大厅和拉西瓦果卜岸坡等工程。开平深埋大跨度地下实验大厅（埋深700m、跨度50m）施工期也遇到高应力问题的挑战，非常幸运地，工程技术团队能够统一思想，坚定地采用了及时支护、最大程度维持围岩强度的策略，再次证明了有效性。我在承担该工程施工期现场技术指导任务时，给自己立下的目标是不能因为围岩变形和稳定问题影响工期。尽管实验大厅从30m至50m扩挖、扩挖到50m以后的直墙开挖过程围岩多处出现持续变形和破坏开裂现象、乃至一段时期内整个外端墙向洞室持续变形，但科研工作提供了坚实保障，现场做到了对这些问题的正确预测、可靠掌控和及时有效的处理，实现了预期目标：没有因为围岩变形和破坏问题影响到工期。
大型复杂地下工程总是会出现不可预见的问题，工程建设确实需要一点运气，但更需要理论认识的指导。开平中微子地下实验室的顺利施工，显然不是只靠运气，严谨、针对性的科研工作为工程实践提供了不可或缺的科学保障。
