斷層破碎帶與洞室間距對地下水封洞庫洞室穩(wěn)定性的影響研究

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(1.中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司,長沙 410014； 2.長江科學院 武漢長江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司,武漢 430010； 3.四川中良建筑工程有限公司,成都 610094)

1 研究背景

地下水封洞庫是油氣資源儲備的重要方式之一，被稱為“具有高度戰(zhàn)略安全的儲備庫”。相比地上儲庫具有安全性高、儲備量大、占地少、投資省及環(huán)境友好等諸多優(yōu)點[1-3]。目前我國地下水封洞庫的建設方興未艾，國家已實施石油戰(zhàn)略儲備規(guī)劃，預計未來還將建設更多的地下水封洞庫。

地下水封儲油洞庫大多以規(guī)模大型或超大型地下洞室群作為主要的封存構筑物，埋深在90 m左右，具有洞軸長、洞跨大、高邊墻等特點。因此，洞庫圍巖的穩(wěn)定性是影響洞庫建造和儲存油氣的重要因素[4-6]。水封地下洞庫是往往在花崗巖體中開挖而成，庫區(qū)地質構造一般較為復雜，多發(fā)育有斷裂構造、節(jié)理裂隙等不利地質結構。如此大規(guī)模的地下洞室群不可避免要與復雜的不利地質結構切割。因此，開展不利地質結構對地下水封洞庫洞室穩(wěn)定性影響分析，對地下水封洞庫選址及建設等具有重要的現實意義。

本文基于FLAC3D[7]有限差分軟件，依托湛江地下水封洞庫地下洞室工程，根據其地質條件及地應力場，從斷層破碎帶距洞室不同距離來分析其對洞室開挖過程中圍巖穩(wěn)定性的影響。

2 工程概況及巖體洞室計算模型

2.1 工程概況

湛江國家石油儲備地下水封洞庫位于廣東省廉江市良垌鎮(zhèn)西南8 km處。庫址區(qū)所在區(qū)域位于粵桂隆起與桂湘贛褶皺帶的交界處南端。洞庫區(qū)巖脈較為發(fā)育，以晚期的石英脈、微晶巖脈及煌斑巖脈為主，構造以脆性破裂為主，主要發(fā)育有斷裂構造、節(jié)理裂隙密集帶及區(qū)域性優(yōu)勢節(jié)理。該石油洞庫主要包括3條施工巷道、10個主洞室、10個豎井及8條水幕巷道。其中，儲油洞室長度均為923 m，斷面跨度和高度分別為20 m和30 m，洞型為直墻圓拱形。

2.2 巖體洞室計算模型

2.2.1 巖體洞室計算的幾何模型

以單一洞室為例，考慮斷層破碎帶與洞室距離對巖體洞室圍巖穩(wěn)定性的影響。洞室為直墻拱形，洞室尺寸為20 m×30 m(寬×高)。模型范圍：洞室底部巖體向下延伸150 m，兩側向外延伸200 m；洞室頂部直至地表，覆巖厚度為100 m。斷層破碎帶厚度為4 m，位于洞室右上方，與洞室軸線夾角為45°。模型單元在圍巖3倍洞徑外最大網格尺寸為10 m；3倍洞徑影響范圍內，最大網格尺寸為6 m；斷層破碎帶處最大網格尺寸為2 m。模型分為巖體中無斷層破碎帶，斷層破碎帶與洞室間距為1,2,4,6,8,10,12 m這8種工況來分析斷層破碎帶位置對地下洞室圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

計算邊界條件：底部x,y,z三向約束,地表為自由邊界，其余為法向約束。

2.2.2 地應力與巖體計算參數

巖體及斷層破碎帶的物理力學參數參考《湛江國家石油儲備地下水封洞庫工程巖土工程勘察報告》[8]，僅考慮單一巖體，其基本質量等級?、蚣墸瑪鄬悠扑閹Щ举|量等級?、跫?。初始地應力考慮自重應力和構造應力。巖體及斷層破碎帶的物理力學參數見表1。

表1 巖體及斷層破碎帶的物理力學參數Table 1 Physico-mechanical parameters of the studied rockmass and fault fracture zone

2.2.3 力學模型

深埋的地下巖體，在洞室開挖過程中，常表現出應變軟化現象[9-10]。所以，洞室圍巖及斷層破碎帶均采用應變軟化摩爾-庫倫本構模型才更符合實際情況。應變軟化本構模型屈服函數為：

(1)

ft=σ3-σt;

(2)

(3)

式中：fs為剪切屈服函數；ft為拉伸屈服函數；σ1為第一主應力；σ3為第三主應力；c為黏聚力；φ為內摩擦角；Nφ為內摩擦角φ的函數；σt為抗拉強度。

初始地應力參照王章瓊等[11]對我國大陸地下水封洞庫庫址區(qū)應力場的反演公式,即

(4)

式中：σv為垂直主應力；σH為最大水平主應力；σh為最小水平主應力；R2為決定系數;H為埋深。

3 斷層破碎帶與洞室間距對地下洞室開挖穩(wěn)定性的影響

3.1 變形分析

斷層破碎帶距洞室不同距離時洞室開挖后的洞室圍巖的位移矢量云圖如圖1所示，斷層破碎帶距洞室不同距離時圍巖最大位移曲線如圖2所示。

圖1 斷層破碎帶距洞室不同距離時洞室圍巖位移矢量云圖Fig.1 Displacement vectors of surrounding rock of cavern at different distances to fault fracture zone

圖2 斷層破碎帶距洞室不同距離時圍巖最大位移曲線Fig.2 Maximum displacement of surrounding rock of cavern at different distances to fault fracture zone

由圖1和圖2可見：

(1)洞室附近無斷層破碎帶時，洞室開挖后洞室最大位移出現在洞室底部，圍巖變形主要表現為因應力釋放而向洞內回彈；隨著斷層破碎帶與洞室間距逐漸減小，洞室開挖后最大位移位置由左邊墻中部轉移至左邊墻拱肩，圍巖變形主要表現為斷層破碎帶與洞室之間圍巖向洞室內滑移。

(2)隨著斷層破碎帶逐漸接近洞室，洞室開挖后最大位移值逐漸增大。當斷層破碎帶距離洞室12，10，8，6，4，2，1 m工況時，洞室圍巖最大位移分別約是無斷層破碎帶時的1.1，1.1，1.2，1.3，1.5，1.7，2.3倍。從位移數值變化梯度看出：當斷層破碎帶與洞室間距≥10 m(約為1/2洞室跨度)時，圍巖位移變化趨于穩(wěn)定。

圖3 洞室圍巖位移分析中典型點的位置Fig.3 Position of typical points in the displacement analysis of the surrounding rock of cavern

3.2 模型斷面典型位置位移分析

洞室分4層開挖，Ⅰ區(qū)為頂拱層，先開挖中導洞(Ⅰ1區(qū))，再擴挖(Ⅰ2區(qū))。模型中，在洞室頂部、底部和邊墻的中點處共設置了8個關鍵點，其中關鍵點4—關鍵點6位于Ⅰ區(qū)；關鍵點3和關鍵點7位于Ⅲ區(qū)；關鍵點1、關鍵點2、關鍵點8位于Ⅳ區(qū)，見圖3。

斷層破碎帶距洞室不同距離時，洞室開挖后關鍵點的位移值，見圖4。

圖4 斷層破碎帶與洞室不同距離時典型位置的位移Fig.4 Displacements of typical points of the surrounding rock of cavern at different distances to fault fracture zone

從圖4中可以看出：

(1)斷層破碎帶與洞室間距變化對洞室右邊墻關鍵點位移影響較小，對左邊墻圍巖關鍵點位移影響較大。隨著斷層破碎帶與洞室間距的減小，除洞室底部圍巖監(jiān)測點位移有減小趨勢，其余關鍵點位移均增加。

(2)從關鍵點位移變化梯度來看，當層間錯動帶距離洞室10 m(1/2洞跨)以內時，其位置變化對近邊墻圍巖關鍵點位移影響較大，此范圍內的斷層破碎帶不利于洞室圍巖穩(wěn)定性，對遠邊墻圍巖關鍵點位移影響較?。划攲娱g錯動帶距離洞室10 m(1/2洞跨)以外時，其位置變化對近邊墻圍巖關鍵點位移影響較小，對圍巖穩(wěn)定性影響也較小，可忽略。

4 結 論

本文以湛江國家石油儲備地下水封洞庫為工程依托，基于FLAC3D有限差分軟件，對斷層破碎帶與洞室不同間距的8種工況進行了數值模擬分析，揭示了斷層破碎帶與洞室間的距離對洞室圍巖穩(wěn)定的影響規(guī)律：

(1)斷層破碎帶位置對洞室近邊墻圍巖穩(wěn)定性影響較大，對遠邊墻圍巖穩(wěn)定性影響較小。

(2)當斷層破碎帶距離近邊墻的距離超過1/2洞室跨度時，斷層破碎帶對洞室圍巖穩(wěn)定性影響可忽略。

本文提出的影響規(guī)律對于類似洞庫工程選址及安全距離的選擇具有良好的指導作用。