集水廊道顶部充水溶洞对围岩位移的影响——以石林水库为例

李亚云，陈 婷，莫世远，张营营，徐 枫

（三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌443002）

岩溶是隧道、水工隧洞以及矿山等地下工程建设中最为常见的不良地质之一［1－2］。随着我国西南地区水电建设的发展，越来越多的地下水库、水工隧洞都会受到不同程度岩溶危害的影响［3］。岩溶区地质环境恶劣，在修建地下水电工程中，岩溶的存在不仅给施工带来极大困难，也会给人民生命财产造成威胁。现在大多数研究来自于岩溶洞隙对铁路隧道和公路隧道等围岩稳定性的影响［4－5］，而对水工建设中充水溶洞的研究较少。本文依托石林水库工程研究了不同大小和不同距离的顶部充水溶洞对集水廊道围岩位移的影响，为集水廊道安全施工提供了一定的理论依据。

1 工程算例

1．1 工程概况

云南省石林地下水库位于喀斯特地区，岩溶发育，地质条件复杂，地下暗河发育。水库主体工程由大坝工程、集水廊道及地下暗河疏通隧洞工程、库间连通隧洞工程、溢洪道工程、输水涵洞工程共五部份组成。水库总库容为675．09万m3，地下274．8万m3。集水廊道是石林地下水库工程中比较重要的单项工程，根据地质勘探结果，在地下暗河附近300m范围内都可能存在地下暗河支流分布。集水廊道与坝轴线平行，廊道横断面为城门洞型，净宽3．4m，预计高程1811～1827．5m。廊道洞室围岩洞顶及边墙岩石为软－中硬岩，围岩类别为Ⅲ～Ⅳ类，局部稳定性较差。特别是该段可能存在岩溶洞穴，库区内调查的溶洞，洞高4．1～9．7m，可见长度28～581m。集水廊道设置高程较低，基本均在地下水位以下，施工中如不考虑岩溶洞穴对廊道开挖的影响，极有可能发生地下暗河突然涌水，危及施工安全。

1．2 有限元模型建立

本文选取云南的石林地下水库集水廊道为研究对象，采用有限元软件abaqus进行数值模拟计算，分析不同大小和不同距离的顶部充水溶洞对集水廊道围岩位移的影响。研究中取净宽为3．4m的廊道断面进行研究，断面为城门洞型。刘之葵等在对岩溶的空间形态进行统计时提出，当溶洞洞径比较小时，溶洞的断面大多是圆形或近似圆形［6］。石林水库库区内调查的溶洞，洞高4．1～9．7m，可见长度28～581m，大多属于中小型溶洞，故假设溶洞断面为圆形来进行数值模拟。

建立有限元模型时，为尽量减小边界效应，从廊道洞室侧壁向两侧各取约4倍洞径，模型横向尺寸沿X轴共计30m，竖直方向沿Y轴边界也取约4倍的洞径，模型竖向共计约40m高，模型纵向沿Z轴长度为30m。忽略实际工程中溶洞四周的岩溶发育，衬砌选取线弹性模型，衬砌混凝土为C25。围岩的力学模型采用连续介质模型。模型左右平面边界上施加X方向水平约束，前后两个平面边界施加Z方向轴向约束，底部边界上施加Y方向的竖向位移约束，上部边界面施加荷载。初始地应力计算只考虑由于岩体自重和溶洞内水压力产生的应力场，忽略岩体中的裂隙水压力和构造应力场。取Z＝15m为所要研究的监测断面，该断面为溶洞纵向中间断面，为危险断面，最具有代表性。图1为计算模型的特征点设置和模型网格划分图。

1．3 计算参数

本次模型研究在分析不同大小和不同距离的顶部充水溶洞对集水廊道围岩位移的影响时，廊道围岩选用Ⅳ级围岩来进行计算。具体模型参数见表1。

图1 计算模型的特征点设置及模型网格划分图

表1 材料力学参数

1．4 计算工况

（1）工况一：保持溶洞底到廊道顶的竖直距离L不变，L＝3．4m，溶洞直径D逐渐变化，由无溶洞到溶洞直径D分别为2m，4m，6m，8m，10m。

（2）工况二：保持溶洞直径D不变，D＝3．4m，与廊道断面大小相等，改变溶洞底到廊道顶的竖直距离L，分别取1m，2m，3m，4m，5m，6m，7m和8m。

2 计算结果分析

2．1 不同大小溶洞对廊道围岩位移的影响

保持溶洞到廊道间的距离不变，改变溶洞直径大小，不同大小溶洞下集水廊道各特征点的竖向位移和水平位移变化情况如图2所示。

图2 不同直径溶洞下廊道各特征点的竖向位移和水平位移

由廊道各特征点竖向位移曲线图2可见，保持溶洞底到廊道顶的距离不变，对比无溶洞的情况，随着溶洞直径的增加，廊道各特征点的竖向位移均有所减小。当廊道周围不存在溶洞时，廊道拱顶位移下沉值为－10．13mm，溶洞较小时，取溶洞直径为2m时，廊道拱顶下沉位移为－9．84mm，溶洞引起的拱顶沉降值相比无溶洞时减小约3%；溶洞较大时，取溶洞直径为10m时，廊道拱顶下沉位移为－8．43mm，相比无溶洞时减小约17%。廊道的拱腰、侧壁、墙角和拱底沉降位移变化规律一致，只是在数值上稍有不同。从数值上看，拱顶竖向位移减小最为明显，其次是拱底向上隆起的位移，然后是拱腰和墙角的位移值，影响最小的是侧壁位移值。由廊道各特征点的水平位移曲线图可以看出，廊道拱顶和拱底的水平位移基本为0，而拱腰和墙角的水平位移对比无溶洞时的水平位移值有所增加，且随着溶洞直径的增大而逐渐增大，侧壁水平位移值对比无溶洞时有所减小，且随着溶洞直径的增大而逐渐减小。

2．2 不同间距溶洞对廊道围岩位移的影响

保持溶洞直径不变，改变溶洞底到廊道顶之间的距离，不同间距溶洞对集水廊道各特征点的竖向位移和水平位移变化情况如图3所示。

图3 不同间距溶洞下廊道各特征点的竖向位移和水平位移

由廊道各特征点位移曲线图3可见，保持溶洞直径不变，当廊道顶部存在溶洞时，随着溶洞底到廊道顶距离的逐渐增大，竖向位移中拱底和墙角位移呈现逐渐增大的趋势，拱顶、拱腰和侧壁的下沉值先减小后增大，且变化幅度较小。对比无溶洞情况，廊道各特征点竖向位移在数值上均有一定程度的减小。其中，当溶洞底到廊道顶距离为1m时，廊道墙角竖向位移相比无溶洞时减小幅度最大，减小值约为30%。其次是拱顶和拱底竖向位移值，相比无溶洞时减小值约为17%，影响最小的为拱腰和侧壁竖向位移值。当溶洞底到廊道顶的距离为8m时，廊道各特征点的竖向位移值相比无溶洞时的位移值减小幅度最小，可见溶洞在远离廊道顶部的同时，对廊道的影响也在逐渐减弱。水平位移中，拱顶和拱底的位移基本为0，墙角水平位移值变化不大。随着溶洞底到廊道顶的距离逐渐增大，拱腰和侧壁的水平位移值先增大后减小，在溶洞底与廊道顶间距为4m时达到最大，相比无溶洞情况增加值约为50%，在溶洞底到廊道顶的距离为7m时趋于平稳，相比无溶洞变化值最小，对廊道围岩位移影响最小。

3 结 论

通过对以上两种工况的结果进行分析，得出以下结论：

（1）廊道顶部充水溶洞在一定程度上抑制了廊道各特征点的位移。保持溶洞底与廊道顶之间距离不变，相比无溶洞情况，随着溶洞直径逐渐增加，廊道各特征点的竖向位移呈减小趋势，与溶洞直径成反比，廊道拱顶和拱底竖向位移值变化较大。与竖向位移变化规律不同的是，廊道拱顶和拱底的水平位移基本为0，而拱腰和墙角的水平位移对比无溶洞时的水平位移值有所增加，且随着溶洞直径的增大而逐渐增大，拱腰、墙角和侧壁的位移变化以竖向位移为主，水平位移小于竖向位移。

（2）保持溶洞直径不变，随着溶洞与廊道间距的增大，竖向位移中拱顶、拱腰和侧壁的下沉值先减小后增大，变化幅度较小，且在溶洞底到廊道顶的距离为8m时，即溶洞远离廊道顶部的时候，相比无溶洞时竖向位移减小值最小，对廊道的影响也最小，可知侧壁以上廊道竖向位移减小值与溶洞底和廊道顶之间的距离呈反比。墙角和拱底的竖向位移值一直呈增大趋势，位移变化最大值位于墙角处，与溶洞到廊道间的距离呈正比。水平位移中，拱顶和拱底的位移基本为0，墙角水平位移值变化不大。相比无溶洞情况，拱腰和侧壁水平位移值先增大后减小，在溶洞底到廊道顶的距离为4m时变化值最大，在溶洞底到廊道顶的距离为7m时趋于平稳，对廊道围岩位移影响最小。

［1］孙笑，赵明阶．岩溶对水工隧洞围岩稳定性的影响及研究进展［J］．科技传播，2010（7）：27－28．

［2］邹成杰．水利水电岩溶工程地质［M］．北京：中国水利电力出版社，1994．

［3］宋战平．隐伏溶洞对隧道围岩——支护结构稳定性的影响研究［D］．西安：西安理工大学，2006．

［4］李治国．隧道岩溶处理技术［J］．铁道工程学报，2002，76（4）：61－67．

［5］吴梦军，许锡宾，刘绪华，等．岩溶对公路隧道围岩稳定性的影响研究［J］．地下空间，2003，23（1）：59－62．

［6］刘之葵，梁金城，朱寿增，等．岩溶区含溶洞岩石地基稳定性分析［J］．岩土工程学报，2003，25（5）：629－633．