某引水隧洞洞口边坡滑塌体成因机制三维离散元数值模拟研究

吴龙科,陈云生,张一铭

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

本文研究滑塌体位于引水隧洞及下支硐洞口段,施工过程中产生失稳,导致洞口被掩埋,严重影响施工进度。通过对滑塌区及其外围地质条件的调查复核,查清边坡区基本地质条件及变形边坡的边界条件,结合支洞开挖地质编录资料,考虑洞内涌水情况,建立地质模型,通过定性分析并利用离散元模拟变形破坏过程,判断变形破坏机制,分析滑塌体现状稳定性及其对上部陡坡的影响[1-5],提出滑塌区边坡的防护建议措施,确保施工期和运行期安全,提供科学可靠的基础依据。本文使用3DEC软件模拟边坡破坏变形破坏过程,其优势在于可模拟边坡岩体内部破裂和破裂面发展[6-10],将模拟计算与定性分析结果相互验证,取得了较好的效果。

1 滑塌体基本特征和成因

1.1 滑塌体的基本特征

滑塌体所处位置为构造剥蚀中高山地貌,平均坡度>60°。地层主要为覆盖层及三叠系片麻岩(Trγm),因岩相特征的差异,基岩可分为黑云母石英长石片麻岩和石英长石片麻岩两种,片麻理产状为:NE39°NW∠39°。边坡区区域性断裂构造不发育,但小规模的断层、随机分布的节理、裂隙较发育。滑塌体平面形态呈不规则的梯形,高差为30 m,纵向长90 m,横向长约51 m,按平均断面法求得的滑塌体方量约为64 220 m3。滑塌边坡表面为3～4 m松散的残坡积物,向坡体内为不同风化程度的片麻岩。据钻孔显示:强风化岩体最大水平深度为52 m,最大垂直深度为20 m;中风化岩体水平厚度为20 m,垂直厚度为4.4～13.5 m;斜坡中风化岩体中片麻理和蚀变带比较发育。

1.2 滑塌体的成因机制定性分析

边坡岩体中分别发育了与洞口陡壁和洞轴线近平行的J1、J2组陡倾裂隙;引水隧洞开挖揭露的F76断层上盘承压水或上层滞水,使洞内涌水集中沿底板入渗。因此,引水隧洞洞口边坡的变形滑塌成因机制定性分析如下:

(1)开挖导致的卸荷。滑塌体区域主要为软岩,洞口及引水隧洞开挖后发生了朝边坡外及洞内的卸荷回弹。

(2)施工过程中爆破震动。洞内施工过程中采用爆破施工,对边坡产生了一定的扰动。

(3)水体入渗软化坡体。在上述变形基础上,因区内连续降雨,雨水沿坡体表部裂缝和陡倾拉裂面入渗、引水隧洞施工过程中地下水发育,地下水沿引水隧洞底板渗入,随FJ3及其系列片麻理蚀变带的软化、抗剪参数降低,底部压缩变形、并追踪结构面向临空方向滑移;随变形的继续,表部坡体首先向上游冲沟方向鼓胀拉裂、部分强风化岩体和残坡积土产生拉裂变形、失稳滑动,同时牵引山脊顶部F1断层控制的部分强风化岩体向洞口方向滑塌、推动洞口前缘强风化岩体和残坡积土产生整体滑塌,最终导致边坡失稳。

2 滑塌体成因机制数值模拟

2.1 离散元模型的建立

考虑到平洞及洞口边坡的开挖,结合滑塌体变形破坏之前的地形图,分别建立边坡区地形模型、地质实体模型(见下页图1、图2),模型中考虑的软弱结构面有F76、F1断层及FJ1～FJ5蚀变带,建立的引水隧洞、断层、片麻岩蚀变带的位置关系如下页图3所示。同时,变形边坡部位考虑了三组优势结构面并在模型中建立:(1)片麻理,产状为NE39°NW∠39°;(2)沿洞口边坡平行、产状为NW290°SW∠85°的一组陡倾裂隙;(3)与隧洞轴线近平行或小锐角相交、产状为NE40°SE∠83°陡倾裂隙组。

图1 含优势结构面的三维地质模型图

图2 含断层与片麻岩蚀变带的边坡模型剖面图

2.2 参数的选取

根据场区工程地质报告、结合相关规范、工程类比[11-15],确定的边坡岩土体及结构面物理力学参数如表1、表2所示。

表1 边坡岩土体物理力学参数表

表2 滑塌体边坡结构面力学参数表

2.3 开挖条件下数值模拟计算

开挖条件下的模拟计算分为两步,即洞口边坡的开挖及引水隧洞的开挖(图4)。

图4 引水隧洞及边坡开挖条件的三维离散元计算模型图

(1)洞口边坡开挖:洞口边坡开挖后,滑塌体所在部位坡体出现局部卸荷回弹变形,但变形量较小,各方向最大变形量分别为:X方向为0.73 mm、Y方向为0.14 mm、Z方向为0.97 mm,即洞口边坡开挖虽然可使滑塌体部位边坡产生局部变形,但总体变形较小,边坡仍处于稳定状态。显然,洞口边坡的局部开挖不是导致坡体最终失稳的控制性因素。

(2)引水隧洞及支洞的开挖:在洞口边坡开挖计算的基础上,利用上述模型模拟了引水隧洞及下平洞段开挖对边坡变形破坏的影响。如图5、图6所示,支洞开挖后产生的变形主要集中在平洞附近,引水隧洞最大位移为0.007 mm;下平洞段仅坡表有少量的开挖,开挖后最大位移为0.005 mm,即引水隧洞及下平洞段隧洞开挖产生的变形较小,且主要集中在洞壁周围。

图5 引水隧洞洞开挖下轴线剖面位移等值线云图

图6 下平段主洞开挖条件下位移等值线云图

综上,引水隧洞及下平洞段隧洞开挖产生的变形主要分布在洞周,对洞口之上的洞口边坡影响较小,其不是诱发滑塌体失稳的控制性因素。

2.4 爆破条件下数值模拟计算

为了模拟开挖爆破振动条件下坡体的变形破坏特征,在计算模型周围输入动力边界,其中动力荷载与二维计算相同,采用对黄麦岭煤矿采场监测的爆破条件下水平时程曲线和垂直时程曲线(图7、图8)。为防止动力输入过程中计算模型的区域边界有可能造成外传波的反射,计算中在模型四周生成自由场边界,建立的三维动力计算模型如图9及下页图10所示。分别在引水隧洞的出口、中点、末端及下平段主洞洞口设置4个爆破点,取四个不同位置来模拟爆破震动作用下边坡的变形破坏情况。

图7 爆破垂直速度时程曲线图

图8 爆破水平速度时程曲线图

图9 破振动计算模型设置的自由场边界示意图

图10 计算模型中动力荷载设置点示意图

如图11所示为模拟开挖地下洞室不同洞深部位的开挖爆破振动作用的剪应变分布图。由图11可知,下平段主洞洞口部位爆破振动对滑塌体部位坡体变形有轻微影响;引水隧洞一定深度内的爆破对边坡的变形破坏影响不大,仅集中在开挖爆破源附近。即开挖爆破振动对边坡的变形破坏的影响有限,相对而言,坡表部位的开挖爆破影响稍大,但影响程度也不是诱发边坡变形的控制性因素。

图11 4次爆破后剖面剪应变分布云图

2.5 渗流条件下数值模拟计算

根据前面的分析,地下洞室在开挖至0+089时,掌子面爆破孔出现大量涌水,涌水沿着洞室底板渗入坡体内,对坡体的蚀变带及片麻岩饱水、软化作用,同时渗入坡体内的地下水形成孔隙水压力也对边坡的稳定性不利。因此,建模中在引水隧洞相应位置设置透水边界来模拟其涌水作用,同时考虑到水对片麻岩岩体、蚀变带的饱水、软化作用。

通过计算洞口边坡段在洞底渗流作用下边坡内部和边坡表部的变形破坏特征表明,在渗流作用下,首先是引水隧洞洞壁沿与洞口边坡近平行的结构面(NW290°SW∠85°)发生拉裂变形,这与现场平洞发生的变形迹象是基本吻合的。

如图12～17所示为渗流作用下边坡变形破坏特征,坡体内蚀变带部位以及边坡滑塌体所在区域变形明显。由图12～17可知,随变形的发展,因上游侧沟底部位临空受限、边坡变形有明显的向上隆起趋势,且随坡体渗流的作用下继续、坡脚变形逐渐加剧;坡体后缘沿陡倾结构面发生拉裂、错动。因此,该边坡的变形主要是洞底渗透水流作用、启动了坡体的变形。坡体启动后,变形继续发展,图12～13是为型迭代40 000时步到45 000时步的变形特征,坡体变形进一步解体,后缘错动清晰可见,位移最大达到了10 m。

图12 计算迭代40 000时步坡体的位移特征云图

图13 计算迭代45 000时步坡体的位移特征云图

图14～16是迭代50 000、55 000、60 000时步模型单元的相互碰撞、挤压、错动、翻滚特征,变形块体总体向沟内运动,少量堆积于1 080 m高程平台部位。图17为计算迭代完成之后的位移矢量图,计算完成之后最大位移为73.4 m。模拟计算的失稳坡体堆积特征与现场情况基本吻合,这也较好地论证了前面的边坡变形过程的地质过程机制分析。

图14 计算迭代50 000时步坡体的位移特征云图

图15 计算迭代55 000时步坡体的位移特征云图

图16 计算迭代60 000时步坡体的位移特征云图

图17 迭代完成后坡体的位移云图

3 结语

引水隧洞边坡在天然、洞口边坡开挖、支洞开挖爆破等条件下总体稳定性较好,浅表层坡体变形不明显;但在引水隧洞掌子面涌水、沿洞底渗流之后因底板岩体内蚀变带饱水、软化等水压力作用,导致蚀变带的压缩变形、沿其向临空坡面发生蠕滑,并随变形的发展,上部坡体发生倾倒拉裂,最终贯通形成滑塌体。数值模拟结果再现了前面的地质过程机制分析。