复杂地质条件下引水隧洞围岩稳定性分析

李 新,杨兴国,周家文,林媛媛

(1.中国核电工程有限公司,北京 100840;2.四川大学 水电学院,四川 成都610065)

地下工程具有广阔的发展前景,地下洞室工程在各个领域均有着广泛的应用,如市政工程中的地铁,交通工程中的海底隧道,军事工程中的地下掩体、防护工程等,水电站、核电站中的引水隧洞等。

通常意义上说,地下工程的不稳定性是指妨碍生产使用或安全的围岩破坏或产生过大的变形现象,如地下洞室的掉块、开裂、坍塌、片帮、底鼓、冒水等现象时有发生;引起地下洞室岩石力学性质的劣化:如原有裂隙的张开与扩展,新裂隙的产生,岩体声波速度的降低,渗透系数的增大等[1～5]。

本文依托柳坪水电站工程,运用三维有限元方法研究复杂地质条件下引水隧洞在不同工况下的围岩稳定性,以及对应工况下的应力及变形特性,分析围岩应力、变形规律。

1 工程概况及三维模型

柳坪电站采用引水式开发,电站引水系统采用“一洞一室三管”的布置方式,即上游布置一条引水隧洞,引水隧洞末端为调压室,调压室下游布置三条压力管道。引水隧洞布置于黑水河右岸,末端为调压室,最大引用流量240 m3/s,隧洞长约11 km,纵坡降1.3‰。进水口底板高程1 759 m,隧洞断面形式为圆形,内径为9 m,隧洞垂直埋深一般400 m～600 m,最大达1 530 m,过沟段最小基岩埋深约为40m。

引水隧洞穿越区,山体浑厚、地形陡峻,地势海拔一般2 500 m～3 200m,岭谷高差800 m～1500m,属典型中高山峡谷地貌。沿线冲沟较发育,其中汇水面积大,切割较深,沟内常年流水的冲沟右岸有两条,即龙坪沟和肥家沟。

引水隧洞区大多基岩裸露,出露的地层主要为泥盆系危关群、石炭二叠系、三叠系下统菠茨沟组、三叠系中统杂谷脑组、三叠系上统侏倭组,均为一套浅变质岩系,岩性为滨、浅海相沉积的碎屑岩和碳酸岩。第四系覆盖层分布较广,其成因及物质组成较为复杂。隧洞区围岩由Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅳ、Ⅴ组成。

地下厂房纵剖面如图1所示,引水隧洞剖面如图2所示。

图1 地下厂房纵剖面

三维整体的网格划分如图3所示,除地下洞室区域采用六面体,围岩采用四面体单元。

2 计算软件、有限变形理论[6～8]

2.1 计算软件

FLAC3D是Fast Lagrangina Analysis for Continuum的缩写,意为连续介质快速拉格朗日法,由美国明尼苏达Itasca软件公司编制开发。FLAC3D软件是使用显式拉格朗日法求解差分方程的最著名的一个数值模拟软件。FLAC3D程序的基本原理与离散元相似,但它应用了节点位移连续的条件,可以对介质进行大变形分析,具有较强的前后处理功能,可以通过执行数据/命令文件进行计算,也可以通过人机对话的交互式进行。FLAC3D算法的基础是快速拉格朗日计算方法,能模拟岩石、土体及其它材料的大变形、挠曲或塑性流动。

2.2 有限变形理论

2.2.1 数学模型的表述

物体的力学特性由牛顿力学来进行推导,根据应力的定义、牛顿运动定理,以及理想化了的材料特性定义构成方程式。

图2 引水隧洞剖面

图3 数值计算网格划分

采用拉格朗日差分公式,介质质点特性由向量元 xi、ui、vi及dvi/dt来定义,它们分别代表质点的空间位置、变形、运动速度和加速度,并规定拉伸或扩展方向为正向。

2.2.2 应力

介质某点的应力状态由对称应力张量σij表示,在表面[n]方向的拉伸向量由Cauchy公式定义为:

2.2.3 应变率和旋转率

设介质质点以速度[v]运动,在微小时间dt内介质产生一个微应变vidt,相应的应变率张量单元可以由下式来表示:

由最初的应变率张量不变式可以得出单元膨胀率的大小,不考虑由张量ξij造成的变形率,一个体积单元经历了一个取决于传递速度[v]和角速度的瞬间刚性体变形:

这里,eijk为一个置换符号,[ω]为旋转率:

2.2.4 运动方程建立

Cauchy运动方程可由下式表示:

式中:ρ为材料比重;bi为单元物质的物体力;为速度的材料导函数。上式为在受外力作用时质点的运动状态,在静力平衡状态下,加速度为0,故上式可表示为:

2.2.5 边界及初始条件

边界条件由以下几项组成:强加于边界的拉伸向量;质点运动速度(用以求出变形);物体力。同时物体的初始应力状态也应给予设定。

3 计算参数及工况说明

3.1 计算方法、步骤及计算参数选择

使用前述的FLAC3D软件建立数值分析模型,采用有限元变形理论进行计算。根据工程地质资料,建立柳坪水电站调压室区域的三维数值计算模型。首先根据调压室区域内的地形条件建立整体未开挖前的模型,然后根据计算工况分别施加相应的荷载。

计算中采用设计建议的围岩物理力学参数值,混凝土和钢材物理力学参数。参考规范建议的设计值,计算所选用的各材料物理力学参数汇总于表1。

表1 围岩及混凝土力学指标设计建议值

3.2 计算工况说明

(1)围岩开挖稳定性分析,分别考虑隧洞在不施加任何支护措施、开挖支护完成后、地震荷载作用条件下进行计算,分析隧洞应力、变形情况和稳定安全度指标。

(2)开挖支护完成后引水隧洞的受力分析,不考虑外水和山岩压力作用于衬砌。

(3)场地地震烈度为Ⅷ度,地震动峰值加速度为0.25g,拟静力考虑地震荷载作用,按照反应谱考虑当地震荷载沿水平方向均匀输入时对调压室的影响。

(4)在地震荷载作用下稳定性分析,主要分析在支护完成后,放空时在地震荷载工况下的应力、变形情况,以及此时的稳定安全度指标。

4 计算结果分析

限于篇幅,本文只列出典型的计算结果图。开挖不支护条件、开挖支护条件、地震条件下竖直方向位移分布及围岩稳定性计算结果分析见图4～图9,可见3种工况下最大竖直位移分别为22 mm、4 mm、45 mm,竖直位移表现为洞顶下沉和底板反弹变形,且底板的反弹变形要比洞顶的沉降位移要大;洞壁安全系数分别为 1.0～ 1.5、1.5～ 2.5、1.0～ 2.0,开挖支护条件下的安全系数最大。不同工况下计算结果统计见表2。

图4 开挖不支护条件竖直方向位移分布

图6 开挖支护条件竖直方向位移分布

由计算结果及表2的相关指标,可得出如下分析结果:

(1)在3种工况下,引水隧洞围岩均主要受到压应力的作用,最大主应力均出现在两侧边墙部位,且最大、最小主应力相差不大,未出现拉应力集中现象。

图7 开挖支护条件围岩稳定性计算结果

图8 地震条件竖直方向位移分布

图9 地震条件围岩稳定性计算结果

表2 不同工况下计算结果分析

(2)在3种工况下,水平位移表现为向洞内的变形,并且左侧边墙比右侧边墙的水平位移要稍大一些,竖直位移表现为洞顶下沉和底板反弹变形,底板的反弹变形要比洞顶的沉降位移要大。

(3)引水隧洞围岩在开挖不支护条件下、地震工况下竖直位移和水平位移均比较大;竖直位移大大超过了水平位移,前者达到后者的两倍以上;引水隧洞围岩在地震荷载作用下竖直位移和水平位移均比较大,且竖直位移最大达到45 mm,此工况下调压室底板极有可能出现局部拉应力,但不会很大,引水隧洞的受力处于比较安全的状态,值得关注。

(4)在开挖支护条件下,围岩和衬砌结构的水平位移最大能够达到0.8mm左右,竖直位移最大能够达到4.0mm,通过衬砌的有效支护,极大的控制了其位移变形。

(5)3种工况的安全系数均大于1,说明隧洞围岩结构稳定性较好;围岩支护后,衬砌结构的安全系数在1.5～2.5之间,隧洞围岩和衬砌结构稳定性较好,较未支护之前,稳定性提升明显。

5 结 语[7,8]

(1)在整个数值计算过程中,引水隧洞垂直方向变形均大大超过水平方向,因此在施工、运行过程中,需加强对引水隧洞顶部、底部的安全监测。

(2)在有限元分析过程中,可通过合理的选择计算参数,建立分析模型,得出科学的分析结论。

(3)通过对复杂地质条件下引水隧洞开挖和支护进行合理的模拟,利用有限元应力场和位移场分析结果,给出了围岩稳定性,为施工期间安全设计提供了参考,为结构设计提供了有效依据。

[1]杨兴国.地下洞室群施工仿真系统及应用研究[D].成都:四川大学,2008.

[2]李 新,杨兴国,李洪涛,等.地下洞室梯段爆破振动效应分析[J].工程爆破,2008,14(4):9-12.

[3]武爱玲,鞠勤国,罗建刚,等.浅析下车亭隧洞设计的几个问题[J].水利水电技术,2005,36(6):52-53.

[4]陈方方,李宁,张志强,等.高地应力区隧洞稳定性的数值仿真分析[J].水利与建筑工程学报,2004,2(1):46-50.

[5]张巍,黄立财.基于渗流场与应力场耦合的高压隧洞设计[J].水利与建筑工程学报,2007,5(2):41-44.

[6]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005:18-20.

[7]张东日,陶连金,李风仪,等.拉格朗日元法及其应用软件FLAC[J].矿山压力与顶板管理,1997,(3-4):224-226.

[8]王泳嘉,邢纪波.离散单元法同拉格朗日元法及其在岩土力学中的应用[J].岩土力学,1995,16(2):1-14.