某水电站地下洞室交叉口应力型坍塌破坏分析

董联杰，李小根，李 震，陈 然

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

1 工程概况

某水电站右岸尾调通气洞转弯段(桩号K0 +0—K0 +10)在施工掘进阶段顶拱和边墙出现较大规模的坍塌，坍塌段长约10 m，塌落最大深度约2 m．该坍塌洞段埋深约500 m，岩性主要为角砾熔岩、隐晶质玄武岩，岩体微新无卸荷，呈次块状、块状结构，洞段上方8 ～10 m 处发育层间错动带C4． 坍塌范围内右边墙发育两条陡倾角裂隙，间距约0．5 m，产状N55°W，NE∠80°，宽1 cm 左右，夹方解石脉，起伏，粗糙，面扭曲，面见擦痕．

为进一步深入分析交叉口洞室的坍塌原因和影响因素，笔者拟利用FLAC3D 与3DEC 数值分析软件对洞室开挖后洞段南侧顶拱和边墙的坍塌破坏过程进行数值模拟，并对其坍塌破坏的原因做出解释，以便能及时、准确地提供合理的处理措施，也为其他工程类似问题的处理提供参考［1－4］．

2 FLAC3D 数值模拟

2．1 模型的建立

FLAC3D 能够准确地模拟地应力场的变化．FLAC3D 软件与其他有限元相比最大的优势主要在于它能够更方便、准确地解决大变形的问题［5－7］．

计算模型采用四面体网格，模型单元数量达102．5 万个;模型建立过程中，对主要的分析部位采用逐步细化网格来提高精度(如交叉洞室部位及附近区域)，使模型的计算精度满足工程实际要求．应用FLAC3D 建立的数值模型如图1 与图2 所示．

图1 地下洞室数值模型

图2 交叉口数值模型

2．2 本构与参数

数值计算中岩体采用应变软化型摩尔－库仑本构模型［8］，同时建立了围岩峰后强度与岩体塑性应变量的关系． 其中层间错动带C4力学参数的取值为:法向刚度Kn= 0． 4 GN/m、切向刚度Ks=0．2 GN/m、黏聚力c=0．05 MPa，摩擦角φ=14．4°．玄武岩岩体力学参数见表1．

表1 玄武岩岩体力学参数取值

2．3 初始应力条件的确定

对于该水电站右岸地下洞室群水平埋深大于500 m 而言，岩体地应力状态基本不受深切河谷地形地貌的影响，构造运动后的应力残余占据重要地位．计算中最大主应力方向取NS，水平状;中间主应力为EW 向，也呈水平状;最小主应力铅直．根据该地区地质条件反演得出此洞室地应力特征分布的计算公式，应力大小与地下洞室的埋深满足如下关系:

式中:σ1，σ2，σ3分别为最大、中间、最小主应力，MPa;h 为地下洞室的埋深，m．

应用初始应力场公式，即式(1)，以1 175 m 作为地表高程，可以估算出右岸尾调室岩体在650 m高程的特征应力比为26 MPa ∶22 MPa ∶15 MPa(1．73∶1．47∶1．00)．

2．4 模拟结果分析

图3 为交叉洞室应力集中与现场破坏比较图;图4 为由FLAC3D 计算所得的考虑层间错动带C4影响下的围岩最大主应力和位移分布特征内视图．

图3 交叉洞室应力集中与现场破坏比较图

图4 考虑层间错动带C4 的围岩最大主应力和位移分布特征内视图

由图3 和图4 可知:由于地应力分布特征的影响，在尾调通气洞和4#公路排风平洞与最大主应力呈大角度相交段，以及洞室的南侧顶拱和北侧拱脚由于受最大主应力的挤压而产生较为明显的应力集中现象，尾调通气洞南侧顶拱的平均应力值为30 ～38 MPa;高应力集中区(σ1＞38 MPa)主要分布在交叉口洞段位置的南侧顶拱和北侧拱脚附近区域;由于受层间错动带C4和地应力分布特征的组合影响，现场坍塌位置附近的工作断面(桩号K0 +0—K0 +10)顶拱附近区域应力集中现象显著，其中南侧顶拱的平均应力值高达40 MPa 左右，最大应力值为43．5 MPa;层间错动带C4的存在较为显著地改变了交叉口附近的局部应力场和位移场，即与层间错动带C4斜切的顶拱附近区域出现了局部应力集中和较大的变形．

以桩号K0 +2 和桩号K0 +10 两个工作断面为例，进一步分析地应力和层间错动带C4组合因素影响下交叉洞段开挖的应力集中现象． 图5 和图6 分别显示了FLAC3D 计算所得的交叉洞室开挖后典型工作断面主应力分布及塑性区深度．

图5 交叉洞室开挖后工作断面(桩号K0 +2)主应力分布及塑性区深度

图6 交叉洞室开挖后工作断面(桩号K0 +10)主应力分布及塑性区深度

由图5 和图6 可知:桩号K0 +2 工作断面应力集中区主要分布在南侧顶拱和北侧拱脚附近区域，而松弛区主要分布在两侧边墙，其中顶拱的高应力区(σ1＞38 MPa)深度为0．2 ～1．0 m，边墙的松弛区(σ3＜2 MPa)深度为0．3 ～0．7 m，顶拱和边墙的塑性区深度分别为0．12 ～0．88 m 和0．28 ～0．78 m;桩号K0 +10 工作断面应力集中区同样分布在南侧顶拱和北侧拱脚附近区域，而松弛区主要分布在两侧边墙，其中顶拱的高应力区(σ1＞38 MPa)深度为0．24 ～0．90 m，边墙的松弛区(σ3＜2 MPa)深度为0．28 ～0． 64 m，顶拱和边墙的塑性区深度分别为0．10 ～0．88 m 和0．20 ～0．75 m．计算结果说明桩号K0 +0—K0 +10 之间的工作断面南侧顶拱附近区域应力集中显著，同时左右边墙应力松弛也较为显著［9－11］．

3 3DEC 数值模拟

3DEC 是一款基于离散单元法作为基本理论，描述离散介质力学行为的计算分析程序． 计算中岩体同样采用应变软化型摩尔－库仑本构模型，结构面采用Coulomb-Slip 本构模型，该模型能够有效地模拟结构面的变形和破坏，且能合理描述破坏后的力学行为．

应用3DEC 分析软件建立的交叉洞室右岸尾调通气洞转弯段(桩号K0 +0—K0 +10)的模型如图7所示．其中层间错动带C4力学参数:结构面厚度为3．0 cm，综合模量为0．27 GPa，抗剪强度内摩擦角为0．46，有效黏聚力为0．14 MPa．裂隙力学参数中，裂隙①(图7)的抗剪断强度内摩擦角为0．50、有效黏聚力为0．15 MPa;裂隙②(图7)的抗剪断强度内摩擦角为0．50、有效黏聚力为0．10 MPa．

图7 交叉洞室右岸尾调通气洞转弯段3DEC 模型

图8 为交叉洞室南侧顶拱坍塌的3DEC 数值模拟结果以及现场坍塌情况．由图可以看出，数值模拟结果与实际的坍塌情况吻合较好．

图8 交叉洞室南侧顶拱坍塌数值模拟结果

4 结 语

1)该洞段最大主应力方向与洞线夹角较大，角度稍陡，且该洞段顶拱距离层间错动带C4较近，位于错动带附近高应力异常区范围内，再者该洞段属于交叉口段，易引起二次应力集中． 因此，在洞段的交叉口位置存在地应力和层间错动带C4组合因素影响下的应力集中问题．

2)在桩号K0 +0—K0 +10 洞段之间，南侧顶拱发生较大规模的坍塌，塌落最大深度约2 m，破坏坑呈圆弧形，属于高应力和结构面组合的应力型坍塌破坏．

3)数值计算结果中显示的高应力区分布位置与现场坍塌位置基本保持一致，建议对具备类似应力集中问题的交叉口及时加强支护，并注意强调锚杆垫板与钢筋网的系统性，以防因破坏的时效性等因素引起的二次应力破坏．

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