水库蓄水对既有隧道影响的稳定性分析

杜鹏 周莹 吴欣

随着我国经济的飞速发展，能源需求量也在快速增加，能源资源短缺的局面已相当严峻，可以说在很大程度上阻碍着经济的发展。大型水库的建成发电对缓解能源紧张的局面具有重要意义。其中一些水库修建在铁路穿越山区，水库的修建对这些铁路线路上的结构必将产生一定的影响，本文将以云南境内的沙沙坡水库的修建对内昆线马蹄石隧道的影响为例，通过数值方法，分析水库对傍山铁路隧道的影响。

1 项目背景

横江中游沙沙坡水库为一级梯级水库，马蹄石隧道位于内昆线DK248+460处，地理位置系云南省大关县与盐津县交界处，该隧道地处中低山峡谷区，地形陡峭，出口斜交水昭公路下方进洞，出口于水昭公路左侧岸坡上出洞，起讫里程DK246+972～DK249+948段，全长2 976 m。该隧道正好位于库区范围内，水库蓄水后，最高水位线距离马蹄石隧道出口段路面高的高差仅有6.59 m。隧道建设完成的沙沙坡水库将使金沙江右岸一级支流横江中游峡谷段水位抬高近12 m，在隧道的原始状态下，考虑水库蓄水对其造成的影响，从可能产生的两个方面的问题进行分析。

1)工况一，根据现场调查及地质资料，隧道岸坡侧5 m范围内围岩风化严重，水库蓄水后这些已风化的围岩将很快被软化，计算时，将水库蓄水后受水影响范围内的围岩级别由原来的Ⅴ级降低至Ⅵ级。2)工况二，隧道岸坡侧有一松散堆积土层。当水库蓄水后，堆积土层在水流的长时间冲刷作用下会不断流失，有出现塌岸的可能，塌岸后隧道周边围岩的应力场将会重新分布。

2 蓄水后隧道稳定性分析

本次计算用MIDAS/GTS进行二维数值模拟分析。计算范围内的岩体采用二维平面单元模拟;隧道衬砌采用梁单元模拟。为了确保二维模型有足够计算精度，本次计算对计算范围进行了一定的限制。建模选取范围为:模型宽77 m，高70 m。靠山侧取5倍洞跨，靠水库侧取至坡形地面。同时考虑到明洞上方有高速公路桥梁跨越，其支座位于明洞顶部，在计算过程中考虑桥梁对隧道的加载作用。计算采用使用“激活、钝化和属性修改”单元的方法实现隧道的开挖和支护、围岩软化以及塌岸的模拟，岩体材料的本构模型采用Mohr-Coulomb屈服准则[2-4]。其模型见图1。

表1 马蹄石隧道各种状态下的竖向位移 mm

根据上面所述的计算过程，分别计算三种状态，这三种计算状态下的位移结果见表1。

1)状态一，水库蓄水前隧道原始状态下的位移。2)状态二，在水库蓄水后，岸坡岩石发生软化情况下隧道的位移。3)状态三，在水库蓄水后，岸坡发生塌岸情况下隧道的位移。

根据有限元计算结果，对三种状态下的隧道竖向位移进行对比。

从表1计算结果中可以看出，隧道在开挖的原始状态下各个部分的位移均较小。在状态二的情况下，即部分岸坡岩体发生软化，隧道各个部位的竖向位移均有所增加，但位移增量较小。而当岸坡发生塌岸时，隧道各个部位的位移均有较大程度上的增大，拱顶位移增幅尤为明显。由此看出，岸坡发生塌岸远比发生软化对隧道产生的影响大。

上述计算是基于地层结构法对马蹄石隧道变形进行了分析，下面将针对隧道的二次衬砌的内力进行研究，本次内力计算选取DK249+948明洞段作为验算截面，计算时考虑高速公路桥梁支座对隧道的加载作用。马蹄石隧道衬砌内力计算主要分析隧道在蓄水前，以及蓄水后可能发生岩体软化和岸坡塌岸的结构内力情况(见图2～图7)。

表2 马蹄石隧道各种状态下的衬砌内力

通过表2可以看出，在蓄水前隧道的原始状态下，二次衬砌的各个部位的安全系数均能满足规范要求。蓄水后，当岸坡的岩体发生软化时，隧道各个部位的安全系数均有所降低，但降幅不大，同样能够保证隧道的安全运营。如果岸坡发生塌岸时，隧道二次衬砌的安全系数会有大幅降低，而墙腰位置的安全系数则不满足规范要求。由此可以得出，岸坡发生塌岸远比发生软化对隧道产生的影响大，这与前面的地层结构法计算结果相符。

3 结语

由上述分析结果可以得出，由于马蹄石隧道出口段的特殊地质条件，在沙沙坡水库反复的蓄水、放水的情况下，会造成岸坡长时间被冲刷，更严重的导致岸坡塌岸，这样对隧道的出口段二次衬砌产生显著的影响。为此，建议采取加固岸坡的措施，可在岸坡处修建抗滑桩，或者修建浆砌片石护岸。

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