断层产状对围岩稳定性影响的敏感度分析

牛 岩 张继勋 任旭华

（河海大学 水利水电学院，南京 210098）

地下洞室工程中结构面对地下洞室围岩稳定性问题研究方法［1］主要有：工程地质法、模拟实验法、现场测试法、数值分析法等，其中数值分析法已发展成为评价围岩整体稳定性及设计支护系统的重要方法.日臻完善的有限元计算理论的发展为数值分析法的发展提供了强有力的基础.岩体内的结构面直接制约着工程岩体变形、破坏的发生和发展过程，它是地下洞室围岩失稳的重要影响因素.因此，分析有结构面存在的地下洞室的围岩稳定性尤为重要，特别是对软弱结构面的分析.目前在软弱结构面对围岩稳定性影响方面的研究主要在以下几个方面［1－7］：（1）软弱结构面的存在使地下洞室围岩体的宏观强度明显降低，在分布有软弱结构面条件下，地下洞室围岩的破坏失稳主要受弱面的剪切强度所控制.（2）软弱结构面的距离、方位、倾角以及结构面空间产状与地下洞室布置的相互匹配关系对地下洞室围岩及其衬砌稳定性的影响，方位、倾角以及结构面空间产状与地下洞室布置的相互匹配关系则体现了结构面空间展布形态对岩体强度性质的各项异性方面的影响.（3）在工程实际中，对于对工程的稳定性产生影响的结构面采取的工程加固措施的研究.

1 工程概况

某水电站位于西藏林芝地区波密县西北部波得藏布流域，是以发电为任务的单目标工程，是波得藏布流域梯级开发的第三级电站，坝址海拔2 780m，坝址控制流域面积2 453km2，年平均流量132m3／s.电站装机9 600kW，年平均发电量6 714万kW·h.泄洪建筑物主要有洞室溢洪道和泄洪洞（兼导流洞），导流洞位于坝址区左岸山体斜坡部位，基本顺河床布置，总长536.66m，为圆形隧洞，洞径10m.

1）进口段（0＋000～0＋080m）

进口段位于坝址区左岸山体斜坡DJ1堆积体前缘陡坎部位，表层为崩坡积块碎石土层，结构松散，厚度0.5～1m，其下为冰水积漂（块）石砂卵砾石层，结构密实，厚度6～10m.冰水积漂（块）石砂卵砾石层之下为灰岩，灰水平埋深20～35m.进口段洞脸部位及洞口顶部为土质边坡，自然坡度30～45°，局部达45°.

导流洞洞口部位基岩总体走向NW316°，坡面倾向SW，边坡坡度45～60°，呈陡坡状，岩性为灰岩，巨厚层状，坚硬，岩体内裂隙不发育，但风化程度较强，强风化水平深度20～25m，强风化岩体较破碎，局部呈碎块状，依据《水力发电工程地质勘察规范》（GB50287－2006）附录J围岩分类标准，属Ⅳ类，施工中会发生掉块现象，需进行支护，并采取喷护措施.

2）洞身段（0＋080～0＋630m）

0＋080～0＋395m段岩性为灰岩，0＋395～0＋630m段岩性为砂质板岩.灰岩巨厚层状，裂隙不发育完整性较好.砂质板岩中层状，中等坚硬，岩性较致密，但岩体内裂隙较发育，完整性相对较差.洞身段灰岩和砂质板岩以弱风化～微风化岩体为主，洞顶山岩覆盖厚度均大于三倍洞径，成洞条件较好.依据《水力发电工程地质勘察规范》（GB50287－2006）附录J围岩分类标准，属Ⅲ类围岩.

导流洞外侧岩质岸坡部位砂质板岩内小规模断层较发育，导流洞洞身部位局部地段小规模断层较发育，断层破碎带和灰岩与砂质板岩接触带部位风化作用较强，岩性较破碎，属Ⅳ～Ⅴ类围岩，需进行支护.

3）出口段（0＋630～0＋671m）

出口段边坡坡度35～45°，基岩裸露，为岩质边坡，岩性为砂质板岩，岩体内裂隙发育，倾角中等～高陡，裂隙面多平直、紧闭、无充填物，以压性结构面为主.基岩强风层深度6～10m，出口段多位于强风化层内，依据《中小型水利水电工程地质勘察规范》（SL55－2005）附录A围岩分类标准，属Ⅳ～Ⅴ类围岩.施工中会发生掉块现象，需进行支护，并采取喷护措施.出口段洞脸部位无覆盖层分布，建议强风化砂质板岩开挖边坡比临时1∶0.5；永久1∶0.75.

本文研究洞身段桩号0＋120至0＋200部分隧洞围岩的稳定性，地质剖面图如图1所示，隧洞埋深30～60m.

图1 地质剖面图

2 数值分析

2.1 计算模型与材料参数

利用大型商业软件ANSYS建立三维模型，模拟了一条圆形断面的导流洞和一条宽4m的断层破碎带，断层面与洞轴线相交，过隧洞的中心点，洞径10 m，衬砌厚80cm，厚度较大，采用实体单元模拟.模型尺寸为300m×100m×100m，网格划分采用单元SOLID45，根据不同断层走向、倾角共建立49个模型.模型导入FLAC3D中进行开挖模拟，计算采用Mohr－Coulomb弹塑性材料模型.

根据工程相关资料，洞周围岩属于Ⅲ类岩石，断层属于Ⅴ类岩石，衬砌采用C40混凝土，隧洞开挖采用全断面开挖的方式.本文中围岩按照水利水电规划设计总院与水利水电地下建筑物情报网主编的《水利水电工程地下建筑物设计手册》（1993）中建议的围岩的力学指标来选取，混凝土参数根据《水工钢筋混凝土设计规范》来选取.各材料物理力学参数见表1.

表1 岩体力学参数取值

2.2 计算方案

本文假定X正向为东，Y轴正向为北，隧洞为东西走向，因为模型以XZ面和YZ面对称，因此取断层走向为 N0°E、N10°E、N20°E、N30°E、N40°E、N50°E、N60°E（下文仅以角度代表断层走向），取断层倾角为30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，共计7×7＝49种情况.初始地应力按岩体自重应力考虑.三维模型如图2所示（以走向0°倾角30°为例）.初始地应力z向应力如图3所示（以走向0°倾角30°为例）.

2.3 数值模拟

数值模拟的流程安排如下：1）利用ANSYS建立有限元模型，网格划分采用SOLID45单元；2）利用ANSYS－FLAC3D接口将模型导入FLAC3D；3）设置计算模型（弹性模型）、材料参数，施加边界条件，计算初始应力场和初始位移场；4）初始位移场清零，设置计算模型为Mohr－Coulomb模型，将隧洞中被开挖掉的单元设置为空单元，计算出由于开挖而形成的位移场和应力场；5）激活衬砌单元，计算衬砌支护后的应力场和位移场；6）分析计算结果.

3 结果分析

在FLAC3D计算过程中，监测重要结构部位的位移及应力，选取靠近断层（沿洞轴线与断层两侧边缘面相距0.5m）且平行于断层面，分别位于断层左侧和右侧的两个断面，断层左侧断面为断面1，右侧断面为断面2，分别对两个断面隧道顶部边缘、底部边缘、左侧边缘、右侧边缘（从X轴正向看）4个部位进行监测.监测部位如图4所示（图中以断层倾角60°、夹角0°为例）.

图4 监测部位

3.1 断层倾角对围岩稳定的影响

隧洞开挖后由于临空面的产生，围岩都有朝向洞内的变形产生.以断层走向0°为例，图5为不同倾角下各监测部位的位移趋势图.

图5 断层走向为0°时各断面监测部位位移值

从图5中可得，断面1洞底边缘和断面2顶部边缘竖向位移较大，倾角为30°时，断面1洞底边缘竖向位移为13.1mm，断面2洞顶边缘竖向位移为16.2 mm，应施加支护措施.两个断面左右侧边缘水平位移值较小，均不大于1mm.随倾角逐渐增大，两个断面洞底竖向位移逐渐减小，倾角为90°时，位移最小，为1.8mm，两个断面洞顶竖向位移随倾角增大有先减小后增大的趋势，断面1洞顶竖向位移在倾角为60°时最小，为5.4mm，断面2洞顶竖向位移在倾角为70°时位移最小，为5.4mm.因此从位移角度看，倾角较大时围岩稳定性较好，另应加强断层附近洞顶洞底的支护措施.

图6为断层走向为0°时，各监测部位的第一主应力和第三主应力.FLAC3D中拉应力为正，压应力为负（下同）.

图6 断层走向为0°时各断面监测部位主应力值

从图6中可得，不同倾角下不同部位会出现拉应力，但拉应力值较小，均小于0.4MPa，处于安全范围之内，且断面1整体应力水平高于断面2.随倾角增大，断面1洞顶和断面2洞底最大压应力逐渐增大，倾角为30°时应力释放最为明显，倾角为90°时应力释放最小，断面1洞底和断面2洞顶最大压应力随倾角增大而逐渐减小，倾角为90°时应力释放最明显，两个断面左右两侧边缘最大压应力均随倾角增大而明显增大，因为倾角越小，左右两监测点处正上部的围岩增多，由开挖引起的回弹较小，因此压应力减小，倾角为30°时，各部位最大压应力值最小，应力释放最明显，倾角为90°时应力释放最小.断面1洞底和断面2洞顶最大压应力水平低于其他部位最大压应力水平，因此综合考虑，倾角为90时，围岩应力释放较小，围岩稳定性较好.

图7为断层倾角为30°、50°、70°、90°时断面1的塑性区开展状况.从图中明显看出随倾角减小，塑性区开展呈现逐渐变小的趋势，倾角为30°和50°时，塑性区开展较大，倾角为90°时，塑性区开展很小，仅左右边缘有较小的塑性区开展.

3.2 断层走向对围岩稳定的影响

图7 走向为0°各倾角断面1塑性区

以断层倾角为90°为例，图8为不同断层走向下各监测部位的位移趋势图.从图8中可得，两个断面顶部边缘竖向位移较大，走向为60°时，洞底边缘竖向位移分别为12.3mm和12.2mm，应加强支护.走向从0°增大到40°时，两个断面洞顶竖向位移波动不大，走向从40°增大到60°时，位移明显增大，两个断面洞底竖向位移随倾角增大有先增大后减小的趋势，断面1左侧边缘和断面2右侧边缘水平位移值较小，均小于1mm，断面1右侧边缘和断面2左侧边缘水平位移随走向增大而逐渐增大，走向为0°时位移最小.相比于洞顶竖向位移，两个断面洞底、左右两侧边缘位移值均较小，因此，整体分析，走向较小时围岩稳定性较好.

图8 断层倾角为90°时各断面监测部位位移值

图9为断层倾角为90°时，各监测部位的第一主应力和第三主应力.从图9中可得，不同走向下不同部位会出现拉应力，断面2洞底和洞顶拉应力水平相较其他部位较高，且随走向增大而逐渐增大，走向为0°时，最大拉应力值最小，分别为0.16MPa和0.14 MPa.随走向增大，两个断面洞底和洞顶边缘最大压应力逐渐减小，走向为60°时，应力释放最为明显，走向为0°时，应力释放最小.断面1左侧最大压应力随走向增大而逐渐减小，走向为0°时，应力释放最小，右侧最大压应力随走向增大呈现先减小后增大的趋势，断层走向为0°和60°时，应力释放均较小，断面2左侧最大压应力随走向增大而逐渐增大，右侧最大压应力随走向增大呈现先增大后减小的趋势.断面1整体应力水平高于断面2，因此综合考虑，走向为0°时，应力释放相对较小，围岩稳定性较好.

图9 断层倾角为90°时各断面监测部位主应力值

图10为走向为0°、20°、40°、60°时断面1塑性区开展状况，从图中明显看出随走向增大，塑性区开展呈现逐渐增大的趋势，走向为60°时，塑性区开展较大，走向为0°和20°时，塑性区开展很小，仅左右边缘有较小的塑性区开展.

图10 倾角为90°各走向断面1塑性区

4 结 语

本文以波堆水电站导流洞为工程背景，重点分析了断层走向、倾角的不同对隧洞开挖后围岩稳定的不同影响，同时对比了隧洞未施加衬砌和施加衬砌后的围岩稳定性.得到以下结论：

1）断层走向不变时，随倾角越大，重要结构部位位移值减小，应力释放程度减小，因此，断层倾角越大，围岩稳定性越好.另应加强断层附近洞顶洞底的支护措施.

2）断层倾角不变时，随走向增大，重要结构部位位移值增大，应力释放增大，因此走向越小，围岩稳定性越好.

综上，建议在洞轴线选址阶段在可能的条件下洞轴线应与断层走向夹角尽量小，断层倾角越大对围岩稳定越有利.

［1］ 任天卫.软弱夹层对地下隧洞围岩稳性影响研究［D］.南京：河海大学，2011.

［2］ 罗俊忠.断层对地下洞室围岩稳定性及其支护结构强度影响的数值试验研究［D］.西安：西安理工大学，2006.

［3］ 江厚祥.隧道通过断层区围岩稳定性数值模拟［D］.重庆：重庆大学，2008.

［4］ 黄 达，黄润秋，张永兴.断层位置及强度对地下洞室围岩稳定性影响［J］.土木建筑与环境工程，2009，31（2）：68－73.

［5］ 冷先伦，盛 谦，朱泽奇，等.遍布节理对地下洞室群围岩稳定性的影响研究［J］.土木工程学报，2009，42（9）：96－103.

［6］ 陈育民，徐鼎平.FLAC／FLAC3D基础与工程实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.

［7］ 李 围.隧道及地下工程FLAC解析方法［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.