節(jié)理產(chǎn)狀對輸水隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 工程簡介

遼寧省觀音閣水庫輸水工程是自遼寧省本溪縣的觀音閣水庫庫區(qū)自流引水，經(jīng)過輸水管線及隧洞，將水引到本溪市的一項(xiàng)大型引水工程，工程設(shè)計(jì)輸水規(guī)模為125萬m3/d[1]。主要包括取水頭部、輸水隧洞、電站、輸水管道、配水站及分支管線等工程，工程等別為Ⅱ等。

該工程一標(biāo)段輸水隧洞沿線屬于遼東山區(qū)典型的低山地貌類型，基巖大部分裸露，植被發(fā)育，地形起伏較大，溝谷發(fā)育，多為寬緩開闊U形谷。洞線穿越主要沖溝段為觀音閣電站后溝、小湯河溝。該段地層以沉積巖為主，主要為元古界青白口系釣魚臺組石英砂巖與南芬級薄層及中層泥灰?guī)r、頁巖。該標(biāo)段斷裂構(gòu)造較發(fā)育，這些斷層走向可大體分為6組，即近SN向、近EW向、NNE向、近NE向、NW向和旋轉(zhuǎn)斷層。沿洞線地下水類型主要分為松散巖類孔隙潛水、巖溶水、基巖裂隙水三大類。在工程選址區(qū)內(nèi)，節(jié)理裂隙發(fā)育，使輸水隧洞圍巖表現(xiàn)出顯著的不連續(xù)性。由于輸水隧洞較長，中間還需要多次轉(zhuǎn)向，難免會以不同方式穿越節(jié)理和斷層等軟弱結(jié)構(gòu)面，因此，分析節(jié)理走向和傾角對隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響就顯得極為必要。

2 3DEC離散元計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 3DEC離散元程序

離散單元法(DEM)的基本假設(shè)是：巖體被節(jié)理裂隙切割成大小不等的巖塊，這些巖塊通過鑲嵌的方式排列在一起，并處于平衡狀態(tài)，當(dāng)計(jì)算塊體受到外部荷載的作用時(shí)，不僅自身會產(chǎn)生位移和應(yīng)力變化，各個(gè)塊體之間的位置和作用力也會隨之改變[2]。該方法主要是基于上述變化對巖體沿著節(jié)理或斷層發(fā)生的滑移或旋轉(zhuǎn)進(jìn)行模擬，進(jìn)而分析巖體工程破壞過程。

3DEC是基于離散單元法進(jìn)行非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模擬計(jì)算的巖土工程軟件，主要適用于存在不連續(xù)面的節(jié)理巖體和砌體結(jié)構(gòu)等的變形與破壞機(jī)理研究，在處理這類巖體在外部荷載作用下的靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)方面具有顯著優(yōu)勢[3]。

2.2 模型的建立

現(xiàn)實(shí)中的諸多工程問題比較復(fù)雜和難以解決，需要借助數(shù)值模型的研究，但是當(dāng)前存在的一個(gè)誤區(qū)就是模型要盡量反映所有的工程細(xì)節(jié)，這事實(shí)上會造成模型本身異常復(fù)雜，反而不利于問題的解決，因此，在利用塊體離散單元時(shí)，首要任務(wù)是對模型進(jìn)行簡化，以逐步發(fā)現(xiàn)實(shí)際工程條件下的決定性參數(shù)。在本文研究的問題中，假設(shè)節(jié)理的走向會對圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此，在模型構(gòu)建中以節(jié)理平行、斜交和垂直于輸水隧洞的走向，以30°、45°及60°三種不同傾角相互組合構(gòu)建具體的節(jié)理模型。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 節(jié)理走向與輸水隧洞走向平行

3.1.1 位移場分析

圖1 節(jié)理通過隧洞上方時(shí)的位移云圖

圖2 節(jié)理通過隧洞中心時(shí)的位移云圖

圖3 節(jié)理通過隧洞下方時(shí)的位移云圖

利用構(gòu)建的模型，對不同45°傾角條件下的輸水隧洞開挖后的豎位移場進(jìn)行計(jì)算(見圖1～圖3)。由圖可知，在輸水隧洞開挖之后，頂部巖體發(fā)生沉降，底部巖體發(fā)生隆起，同時(shí)位移場均偏向節(jié)理一側(cè)。其中，當(dāng)節(jié)理通過輸水隧洞中心時(shí)，頂部和底部的位移最大；節(jié)理通過輸水隧洞上方時(shí)頂部沉降量較大，通過下方時(shí)底部隆起量較大。利用模型對傾角30°和60°條件下的位移場進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示出相似的位移場分布規(guī)律，這里不再詳述。為了比較不同節(jié)理傾角對位移場的影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提取出不同傾角的節(jié)理穿過輸水隧洞中心時(shí)上下部巖體的豎向位移量和左右側(cè)巖體的水平位移量，并進(jìn)行對比分析。結(jié)果顯示，輸水隧洞上下部分巖體的豎向位移會隨著傾角的增加而減小，而兩側(cè)的水平位移會隨著傾角的增加而增大?？傮w而言，在隧洞開挖之后，圍巖巖體的位移均指向隧洞中心，而左右兩側(cè)的水平位移量是上下部分豎向位移量的兩倍左右，同時(shí)，當(dāng)傾角增大時(shí)，輸水隧洞的不均勻變形明顯增大，對圍巖的穩(wěn)定性不利。

3.1.2 應(yīng)力場分析

圖4 上方節(jié)理水平應(yīng)力云圖

利用模型計(jì)算的方式獲得不同工況下輸水隧洞圍巖的水平和豎向應(yīng)力云圖(見圖4～圖9)。由圖可知，輸水隧洞開挖之后，后壁出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大集中應(yīng)力表現(xiàn)為水平應(yīng)力。其中，節(jié)理穿過輸水隧洞的上方和下方時(shí)，最大集中應(yīng)力值為22～24MPa，節(jié)理穿過隧洞中心時(shí)的集中應(yīng)力值最大，為30MPa，因此，為保證輸水隧洞開挖和支護(hù)安全，在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量避免較大傾角的節(jié)理直接穿過輸水隧洞。

圖5 上方節(jié)理豎向應(yīng)力云圖

圖6 中心節(jié)理水平應(yīng)力云圖

圖7 中心節(jié)理豎向應(yīng)力云圖

圖8 下方節(jié)理水平應(yīng)力云圖

圖9 下方節(jié)理豎向應(yīng)力云圖

3.2 節(jié)理走向與輸水隧洞走向斜交

3.2.1 位移場分析

利用構(gòu)建的模型，對垂直于XY平面的節(jié)理與輸水隧洞軸線夾角分別為30°、45°及60°的Z方向與X方向位移進(jìn)行計(jì)算，獲取不同工況下的位移云圖。由計(jì)算結(jié)果可知，輸水隧洞與節(jié)理相交部位會發(fā)生比較明顯的錯(cuò)動變形，并且薄弱之處的位移量最大。從傾角的變化情況來看，隨著節(jié)理與輸水隧洞夾角的增大，隧洞兩側(cè)的水平位移逐漸減小，當(dāng)兩者的夾角為30°時(shí)，兩側(cè)的水平位移最大，為1.10cm。節(jié)理與輸水隧洞相交部位的豎向位移主要出現(xiàn)在頂部兩側(cè)，并且隨著節(jié)理與輸水隧洞夾角的增大而逐漸減小，因此，面對這種節(jié)理時(shí)，應(yīng)該特別注意輸水隧洞兩側(cè)邊壁的支護(hù)。

3.2.2 應(yīng)力場分析

利用構(gòu)建的模型，對垂直于XY平面的節(jié)理與輸水隧洞軸線夾角分別為30°、45°及60°的Z方向與X方向的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，獲取不同工況下的應(yīng)力云圖。由計(jì)算結(jié)果可知，輸水隧洞與節(jié)理相交部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，說明該部位是圍巖滑動的易發(fā)區(qū)域，因此面對這種節(jié)理時(shí)，應(yīng)該特別注意輸水隧洞兩側(cè)邊壁的支護(hù)。

3.3 節(jié)理走向與輸水隧洞走向垂直

3.3.1 位移場分析

利用構(gòu)建的模型，對垂直于YZ平面的節(jié)理與輸水隧洞軸線夾角分別為30°、45°及60°三種工況下的圍巖位移特征進(jìn)行計(jì)算，獲得不同工況下的位移云圖。由計(jì)算結(jié)果可知，輸水隧洞的兩端分別出現(xiàn)抬升與俯沖，出現(xiàn)十分明顯的上下錯(cuò)動，特別是相交部位的巖體位移較大，最大的位移量出現(xiàn)在巷道的上下位置，同時(shí)，隨著節(jié)理傾角的減小，錯(cuò)動區(qū)域范圍呈現(xiàn)出逐漸擴(kuò)大的趨勢。

3.3.2 應(yīng)力場分析

利用構(gòu)建的模型，對垂直于YZ平面的節(jié)理與輸水隧洞軸線夾角分別為30°、45°及60°三種工況下的圍巖應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，獲得不同工況下的應(yīng)力云圖。由計(jì)算結(jié)果可知，輸水隧洞邊壁出現(xiàn)應(yīng)力集中，特別是節(jié)理與輸水隧洞相交部位的應(yīng)力很高，圍巖極易發(fā)生破壞。從夾角的變化來看，隨著節(jié)理和輸水隧洞夾角的減小，上下巖體的集中應(yīng)力明顯增加，當(dāng)夾角為 30°時(shí)集中應(yīng)力值最大，為45MPa，因此，為保證開挖和支護(hù)安全，應(yīng)該在設(shè)計(jì)中盡量避免交角較小的節(jié)理穿過輸水隧洞，如無法避免，必須加強(qiáng)對輸水隧洞上下部分巖體的支護(hù)。

4 結(jié) 論

地下洞室工程施工過程中，難免會遇到節(jié)理和裂隙等不良地質(zhì)情況，而地下洞室圍巖被上述軟弱結(jié)構(gòu)面切割，會大幅降低巖體強(qiáng)度，造成圍巖失穩(wěn)甚至坍塌。本文以觀音閣輸水工程復(fù)雜地質(zhì)地段輸水隧洞為例，利用數(shù)值模擬的方法研究了節(jié)理產(chǎn)狀對輸水隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響，獲得如下結(jié)論：當(dāng)節(jié)理面穿過輸水隧洞中心時(shí)，隧洞拱頂與拱底會產(chǎn)生較大的位移量，而節(jié)理面偏向輸水隧洞某側(cè)時(shí)，該側(cè)圍巖的位移量會有一定程度的增加；當(dāng)節(jié)理面與輸水隧洞斜交時(shí)，輸水隧洞會沿著節(jié)理面方向錯(cuò)動變形，并且隨著節(jié)理面與輸水隧洞軸線夾角的減小，錯(cuò)動幅度會明顯增加；在節(jié)理面與輸水隧洞相交部位會出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，因此工程設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)盡力避免節(jié)理面長距離貫穿。?