错动带对引水隧洞围岩稳定性影响的Flac3D模拟分析

张冬冬，张东凤，刘海生

（1.中国地质大学<武汉>工程学院，湖北武汉430074；2.菏泽瀚麟建筑设计院有限公司，山东菏泽274900；3.青海省第二地质矿产勘查院，青海西宁810028）

错动带对引水隧洞围岩稳定性影响的Flac3D模拟分析

张冬冬*1，张东凤2，刘海生3

（1.中国地质大学<武汉>工程学院，湖北武汉430074；2.菏泽瀚麟建筑设计院有限公司，山东菏泽274900；3.青海省第二地质矿产勘查院，青海西宁810028）

引水隧洞是水电站建设中的重要构筑物。西南某水电站引水隧洞区域发育层间错动带，遍布节理裂隙地质条件复杂。以已开挖段引水洞隧洞为研究对象，基于Flac3D有限差分软件，采用数值模拟的方法，研究在层间错动带影响下隧洞开挖过程中围岩的变形规律与特征、围岩应力分布及其变化规律、塑性区范围。对保障施工安全、加快施工进度，指导相关隧洞设计施工均具有十分重要的意义。

错动带；引水隧洞；数值模拟；围岩稳定性

随着我国经济社会的快速发展，对电力的强劲需求，给水电事业的发展带来了新的机遇，我国西南地区水能资源蕴藏量约占全国水能资源总量的69%，在西南地区的水能开发利用中，往往采用引水发电系统的工程布置，然而西南地区高山峡谷地势陡峻、构造断裂较为发育、地震活动频繁，引水隧洞穿越的地质条件复杂，因此隧洞围岩稳定性关系到整个水利工程的施工和运营安全[1]。因此分析评价引水隧洞围岩稳定性，为解决引水隧洞在设计和施工中的各类问题，提供可靠的地质依据，显得尤为重要。

前人对层间错动带的研究也取得了很大成果，如江权等[2]通过6种错动带试验研究，对层间错动带的强度参数进行了探讨。史存鹏等[3]从微观结构角度对层间错动带的结构特性及化学性质进行了研究。徐鼎平等[4]通过室内和现场剪切试验对层间错动带的剪切特性进行了研究，得出层间材料和土/岩接触面都表现出无剪胀行为的理想弹塑性力学特性；层间材料的蠕变特性不明显；刘强等[6]利用3DEC离散元软件对错动带对导流隧洞围岩稳定性进行了分析。目前对于错动带围岩稳定性的影响和错动带特性的研究虽然取得了很多成果，但对错动带出露隧洞不同位置下对围岩稳定性的分析研究较少。基于此，本文采用Flac3D软件，模拟在不同位置下，层间错动带对隧洞的开挖变形的影响，为隧洞的施工设计提供参考。

1　地质概化模型与计算条件

1.1工程地质概况

水电站位于金沙江下游，引水隧洞均采用单机单洞竖井式布置，每岸各布置8条，由上平段、上弯段、竖井段、下弯段和下平段组成。左岸压力管道总长395～ 407m，上平段与上弯段上覆岩体厚度95～160m,岩性为隐晶质玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩和凝灰岩等。以坚硬玄武岩为主，角砾岩凝灰岩含量较高，强度相对较低。引水洞轴线与岩层走向近垂直。某层间错动带斜穿1号-8号引水洞（1号洞末端-8号洞前部）宽约30cm,层间错动带倾角缓，对洞室围岩稳定性影响较大，水平影响范围约20m。层间错动带总体上平直，产状一般N40°～50°E,SE∠13°～20°，层间带主要由角砾化构造岩组成，错动带中部一般1～5cm的断层泥为岩屑夹泥型，在引水洞出露桩号为K0+000～K0+067[8]。本文以左岸8号引水洞出露的层间错动带所在上平段为例,通过建立地质模型，采用三维有限差分模拟软件分析层间错动带在穿越隧洞特殊部位时，对洞室的应力应变及塑性区影响，为其他引水洞的开挖支护提供参考。

1.2计算模型及材料参数

所模拟的引水隧洞埋深120～140m，选取隧道各断面开挖尺寸12m×21m×1m（高×宽×深），起点高程为743.8m，终点高程731.5m。全断面开挖，根据圣维南原理，隧洞开挖后的应力和应变，仅在距洞室断面3～5倍隧洞开挖宽度的范围内存在影响[7]。模型范围上下边界取4倍洞径，左右边界取5倍洞径，纵向取单位长度，考虑到层间错动带的特殊性及网格单元划分的要求，采用Ansys中建模后导入Flac3D中计算分析。计算模型分别模拟实际工况错动带出露顶拱以上、穿过隧洞拱肩以及从隧洞边墙穿过3种模型（图1）并建立无层间错动带工况下的模型。

所研究岩体均为理想的弹塑性介质，岩体地应力场的垂直方向应力由上覆岩层的重量引起，经实测地应力值结合洞室轴线走向综合考虑后，取z轴方向的应力为-3.27×106Pa,测压系数取1.5，施加到x轴和y轴应力为-4.7×106Pa。洞室围岩以次块状和块状结构为主，部分为镶嵌结构，洞顶以Ⅲ1类围岩为主，层间错动带影响部位为4类围岩，边墙以Ⅱ类围岩为主。隧洞围岩介质采用为莫尔—库伦模型（Mohr-Coulomb Mod⁃el），模型底部边界限制为垂直位移，四周边界限制为水平位移。围岩参数按照《水利水电工程地质勘查规范》（GB50487-2008）[14]和现场实际情况选取，具体围岩参数见表1。

2　结果分析

2.1隧洞围岩位移分析

为了更加直观的分析层间错动带出露部位对隧洞洞周围岩位移的影响，计算过程中在隧洞的断面上设置多个监测点，图2为错动带出露隧洞不同位置下开挖后围岩水平和竖向位移分布图。隧洞开挖后,围岩变形总体表现在拱顶下沉，底板隆起,左右边墙向临空面位移。对于工况一,拱顶下沉位移最大值为8.9cm,拱底隆起位移为3.9cm,围岩最大水平位移出现在左拱肩上部,与洞中心成约35°角的部位有最大值,其大小为3.5cm,水平向位移呈非对称性分布,并且在左侧拱角部位水平向位移分布较广些,随着向洞室周边距离的增大,水平向位移逐渐减小。工况二开挖后,围岩的竖向位移与工况一相比,最大竖向位移仍然位于顶拱部位,最大值为8.6cm,拱底处围岩拱起,最大拱起位移为4.5cm,水平向最大位移主要出现在左右两侧壁层间错动带下盘位置,拱顶和拱底水平位移较小。工况三开挖后,最大的竖向位移出现在边墙中部,最大下沉量为7.2cm,底板部位向上隆起,最大隆起位移为5.8cm,水平向位移在两侧边墙错动带出露部位,向两侧逐渐减小。对图中各数据比较，发现当层间错动带在拱肩及以上出露时，拱顶的沉降量最大，边墙水平位移也较大，可构成块体滑面，对洞室稳定不利；当错动带在边墙出露时，对顶拱和底板的竖向位移都较大；当层间错动带在边墙处出露时，底板拱起现象最严重；另外隧洞的左侧水平位移同位置明显大于左侧，经分析原因为错动带左侧出露高程低于右侧，建议对左侧进行加强支护。

图2　各工况下位移值

2.2隧洞围岩应力分析

图3为工况一隧洞开挖后围岩的应力分布图。从应力云图中可以看出,随着隧洞的开挖修建,整个地层大部分区域都是受压的,只是在隧洞附近一个很小的区域范围内出现水平拉应力。对于工况一，最大主应力值集中发生两侧拱肩处,向两侧逐渐减小,最大拉应力值为0.22MPa（图3a）。水平方向左侧边墙出现拉应力，拱顶应力较小（图3c）。垂直方向左侧边墙中部应力最大，底板中部应力次之，拱顶应力最小，没有出现拉应力（图3b）。引水隧洞拱顶、拱肩与各边墙交线出现应力集中区，两侧边墙出现应力降低区，垂直方向未出现拉应力。

图3　工况一的应力云图

结合工况二和工况三的应力云图发现，隧洞开挖后的应力场出现多处应力集中现象,水平方向顶拱多出现拉应力，最大应力值达到2.12MPa，以顶拱位置向两侧又出现压应力，高应力比因素可能造成顶拱岩体应力集中加剧，造成顶拱掉块塌落。边墙部位也出现一定的水平拉应力，可能会形成片帮，岩体松动。竖直方向顶拱和底板的应力都明显小于两侧，环向应力加剧，隧洞开挖后，容易造成底板隆起和顶拱掉块。

工况四无层间带隧洞开挖后应力场分布差别较大,水平方向拉应力主要出现在底板位置，顶拱和底板应力应力释放，垂直应力也小于其他部位，在拱肩部位出现最大压应力6.14MPa。

2.3隧洞围岩塑性区分析

隧洞开挖后围岩的塑性破坏区主要出现在隧洞四周，以剪切破坏为主。拱脚附近和边墙塑性破坏区相对较大，受层间错动带产状影响左边墙塑性区明显多于右边墙。查看各工况发现:当错动带在拱顶出露时，塑性区范围较大，主要出现在拱顶以上以及边墙中部附近并沿错动带有一定距离的延伸，对底板的影响微弱；当错动带在拱肩时，塑性区部位主要在起拱线以下，塑性区的深度在5.0m左右;当错动带在边墙出露时，塑性区主要在边墙及底板附近，塑性区最大深度在6m左右；对比无层间错动带，塑性区只出现在起拱线以下部位和底脚附近深度4m左右。

根据引水隧洞开挖后位移变化规律和围岩应力重分布的规律，受错动带产状的影响，隧洞开挖后左侧的塑性区明显大于右侧与位移云图相一致。当错动带在起拱线以上出露时，顶拱由于开挖卸荷并受错动带软弱结构面的影响产生结构面控制性与应力控制性双重破坏。

3　结论

采用有限差分软件Flac3D分析了错动带出露隧洞不同部位下开挖后围岩的位移、应力和塑性区分布,得到以下结论：

（1）当层间错动带在拱肩以上出露时，塑性区以剪切破坏为主，顶拱的垂直应力较小并出现水平拉应力,受层间错动带影响，顶拱位移较大，容易在顶拱产生掉块、塌落;应加强对顶拱的监测，开挖后应对松动块体清楚后及时支护跟进。

（2）受层间错动带产状影响，隧洞开挖后，左侧边墙的位移和塑性区明显大于右侧洞室，应对左侧边墙加强支护。当层间带逼近顶拱开挖面时，高应力比因素可能造成层间带下方岩柱环向应力集中加剧，高应力破坏风险增大。

（3）由于错动带变形模量较小，洞室开挖后，在错动带部位出露附近出现拉应力，对洞室稳定十分不利，在开挖后，要充分考虑拉应力的位置，加强支护，防止围岩拉裂破坏。

（4）当层间带切割隧洞时，层间带自身的低应力区，可能形成局部应力松弛等问题，塑性区明显加大，容易产生片帮、掉块，对隧洞影响最大，尤其对拱顶的位移应该加强监测。

[1]司洪涛.四川省湾东二级水电站弓水隧洞围岩稳定性研究[D].成都理工大学硕士论文，2012.

[2]江权，冯夏庭，周辉，等.层间错动带的强度参数取值探讨[J].岩土力学，2011，32（11）:3301-3307.

[3]史存鹏，冯夏庭.白鹤滩层间错动带微结构特性及其化学改性初探[J].岩土力学，2013，34（5）:1287-1289.

[4] 徐鼎平，冯夏庭，崔玉军，等.含层间错动带岩体的破坏模式及其剪切特性研究方法探讨[J].岩土力学，2012，33（1）: 129-136.

[5] 杨飞，吕康，陈益民，等.西南某水电站压力管道衬砌形式选择[R].

[6]刘强，吴文斌，段隆臣，等.错动带对导流隧洞围岩稳定影响的3DEC模拟[J].人民长江，2015，46（3）:869-873.

[7] 董书明,辛全才,卢树盛.断面形状对隧洞围岩稳定性的影响分析[J].中国农村水利水电，2011（1）：102-107.

[8]金沙江白鹤滩水电站引水发电系统土建及金属结构安装工程招标公告[R].

[9]叶金汉.岩石力学参数手册[M].北京：水利电力出版社，1991.

[10]金长宇,张春生,冯夏庭.错动带对超大型地下洞室群围岩稳定影响研究[J].岩土力学,2010,31（4）:1283-1288.

[11]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，2008.

[12]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].人民交通出版社，2005：3-4.

[13]王东栋.基于ANSYS的泄洪洞出口闸室三维有限元分析[D].河海大学,2006.

[14] 中华人民共和国水利部.GB50487-2008水利水电工程地质勘查规范[S].北京:中国计划出版社,2009:103-108.

[15]尚晓红，邱峰，等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京：中国水利水电出版社，2006:355-370.

U45

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1004-5716（2016）11-0185-04

2015-12-22

2015-12-23

张冬冬（1989-），男（汉族），山东巨野人，中国地质大学（武汉）工程学院在读硕士研究生，研究方向：工程地质。