初始水位对富水破碎岩洞段围岩稳定的影响研究_卜祥洲.pdf

初始水位对富水破碎岩洞段围岩稳定的影响研究卜祥洲（辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110003）摘 要富水断层破碎带地下洞室工程施工中，受地下水流固耦合作用极易发生大变形、塌方、突泥涌水等安全事故，对富水破碎岩洞段围岩稳定的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。文中以轿顶子电站发电引水隧洞开挖工程为例，利用数值模拟的方法对不同初始地下水水位对隧洞开挖后围岩稳定的影响展开研究，并获得相应的变化规律，可以为理论研究和工程设计提供支持。关键词初始水位；富水破碎带；引水隧洞中图分类号 TV554文献标识码B文章编号 10020624（2023）040038021 工程背景轿顶子电站位于辽宁丹东宽甸太平哨镇轿顶子村境内，是北股河干流上规划建设的一座以防洪和发电为主，兼有灌溉和养殖等诸多水利功能的综合性小型水利工程1。电站主要由混凝土重力坝、副坝、溢洪道、泄洪洞及引水发电系统组成2。其中，引水发电系统的引水隧洞设计于大坝左侧，全长1 123 m，为马蹄形断面设计。由于引水隧洞规划线路附近地下水埋藏较浅，且线路本身需要穿越DS3断层破碎带，受地下水流固耦合作用极易发生大变形、塌方、突泥涌水等安全事故，因此开挖施工难度较大。在施工过程中，掌子面部位一直存在少量涌水情况，当开挖至引223断面时遭遇断层破碎带，开始出现大量的涌水。由于涌水量大且围岩的整体质量较差，如不采取一定的施工加固措施，必将对施工安全造成影响。根据地下洞室工程围岩弹塑性理论分析，在地下水的渗流作用下，围岩的塑性区会进一步拓展，造成径向位移增大，围岩的稳定性变差。同时，随着初始地下水位的升高，渗透力会进一步增大，造成围岩的稳定性进一步降低3。由此可见，地下水初始水位是围岩稳定性的重要影响因素。基于此，此次研究以上述工程为背景，利用数值模拟的方法探讨初始水位对富水破碎岩洞段围岩稳定的影响，以便为相关工程设计和理论研究提供支持和借鉴。2 FLAC3D有限元计算模型2.1 模型的构建FLAC3D 软件赋予材料本身 19 种本构模型，可以实现对岩体蠕变、流固耦合、动荷载及边坡稳定性评估。由于该软件采用的是拉格朗日算法，具有较高的计算效率，因此，在模拟岩土体达到屈服极限后的流变行为也就是材料大变形方面具有良好的分析效果4。此外，该软件可以凭借对命令流的快速检查，直接完成参数的修改工作，无需打开其他界面。基于此，此次研究选择 FLAC3D 软件进行背景工程的计算模型构建。基于圣维南效应，在地下洞室开挖工程施工中，开挖卸荷的影响范围为35倍开挖洞径跨度5。在模型的构建过程中，选择开挖洞径的 5 倍确定模型水平和竖直方向的计算范围，在模型的纵向取20 个开挖进尺，最终获得 35 m40 m20 m 的模型范围。在模型的网格划分方面，一方面需要保证网格数量不能过少，不会显著影响模型计算结果的精度，特别是要对开挖隧洞周边围岩进行网格加密处理6。另一方面也要适当控制网格数量，以便大幅减小计算工作量。结合上述两方面的要求，最终将计算模型划分为 15 357 个网格单元、20 745个节点。2.2 边界条件和计算参数模型的左右、前后和底面均施加法向约束边界，顶部为自由边界条件7。在渗流模拟过程中考虑最不利工况，即围岩处于饱水状态，模型的下边界和前后左右边界为透水边界，孔压恒定，地下水的初始水面位置设置为不透水边界；隧洞开挖施工初支无止水，开挖面为零水压力边界8。普通力学边界和流固耦合模型一致。隧洞开挖施工采用三台阶开挖法。水利科研东北水利水电2023年第4期 38DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.04.006在计算过程中，将隧洞围岩视为各向同性、均质的等效连续渗透介质；地下水的渗流符合达西定律；施工不考虑二次衬砌的作用，将锚杆等初支结构等效为加固圈和喷射混凝土；围岩采用摩尔-库伦本构模型，喷射混凝土视为线弹性材料。计算中，围岩和支护结构的力学参数参照相关施工规范和工程资料综合选取，具体见表1。围岩的侧压力系数选取0.5。表1 模型材料物理力学参数2.3 计算方案地下水对岩体强度的影响体现在许多方面。岩体内孔隙水压力的存在使岩体颗粒或骨架所承受的有效应力减小，而开挖后的渗流体积力作用于岩土体颗粒或骨架上造成围岩变形增大。此次研究的主要目的是探讨初始水位对富水破碎岩洞段围岩稳定的影响，结合背景工程的实际情况，设置初始地下水位距隧洞拱底 0，10，20，30 和 40 m等不同的工况进行计算。3 计算结果与分析3.1 初支外侧水压力利用构建的有限元模型对不同计算方案下的初支外侧水压力分布进行模拟计算，在计算结果中提取出拱顶、拱肩、拱腰、底板等关键节点的外水压力，结果见表2。由表2可以看出，在不同初始水位计算方案下，初支外侧水压力最小的部位为隧洞拱顶部位；水压力从拱顶开始向拱肩、拱腰和底板部位逐渐增大，最大初支外水压力出现在底板部位。初支外侧水压力随着初始水位的升高呈现出逐渐增大的变化趋势。由此可见，初始水位的升高会造成初支外侧的水压力显著增大。表2 初支外水压力计算结果3.2 围岩位移围岩变形量直接反映隧洞开挖对岩体的扰动，此次研究从掌子面挤出变形及洞周变形两个方面，对不同初始水位条件下隧洞开挖对围岩变形的影响，利用构建的有限元模型对不同地下水初始水位条件下的掌子面挤出变形、拱顶沉降和底板隆起变形量模拟计算，结果见表3。由表3可以看出，随着地下水初始水位的升高，变形量呈现出不断增大，且呈现出比较明显的线性变化特点，即位移变形的增长幅度和初始地下水水位高度成正比，地下水的水位越高，隧洞开挖之后的位移增长幅度越大，其中，拱底隆起变形受到地下水水位高度变化的影响最大。究其原因，主要是该部位的围岩受到浮力的作用，同时在开挖之后到仰拱施作还有一段时间，拱底部位没有采取必要的加固措施，导致变形量较大。因此，建议在施工中密切关注围岩变形，必要时可采用锚杆加固。表3 围岩位移变形结果3.3 塑性区利用构建的有限元模型对围岩塑性区体积进行模拟计算，结果见表4。由表4可以看出，不同初始地下水位下，围岩塑性区的分布规律类似，随着初始水位升高，围岩塑性区体积不断增加，且增加的幅度也不断增大。与 0 m 计算方案相比，初始地下水位为10，20，30和40 m时，塑性区分别增长 54.62%，140.56%，398.42%和 522.73%。由此可见，初始水位较高时，围岩塑性区的增长幅度极初始水位/m010203040关键部位初支外水压力/MPa拱顶0.0000.0390.0750.1100.148拱肩0.0000.0460.0810.1210.162拱腰0.0000.0650.0990.1530.224底板0.0000.0590.0920.1280.149材料围岩加固圈弹性模量/GPa1.52.0密度/（kgm-3）2 0002 200泊松比0.410.33摩擦角/（）24.525.0粘聚力/MPa0.120.22孔隙率0.400.31渗透系数/（m2Pa-1s-1）510-10110-10初始水位/m010203040位移计算结果/mm掌子面挤出变形15.2216.7117.5818.9220.28拱顶沉降9.2711.9613.3015.2718.59底板隆起11.2513.0815.8718.2225.64（下转第45页）表4 塑性区体积计算结果初始水位/m010203040当前破坏单元数剪切破坏8932 3302 8143 9725 561张拉破坏0167332463648以往破坏单元数剪切破坏6 7319 26315 16734 20647 888张拉破坏041131825合计7 62411 80118 32638 65854 1222023年第4期东北水利水电水利科研 39收稿日期 2022-07-01来看，在设计水位和校核水位工况下，闸室各项稳定性评价指标的计算结果随着地基建模深度的增加而不断减小，当地基的建模深度小于16.0 m或32.0 m 时，即地基的建模深度没有达到土层下部基岩深度时，闸室的各项稳定性评价指标的计算结果减小幅度相对较大；当地基的建模深度大于16.0 m 或 32.0 m 时，也就是地基的建模深度达到土层下部基岩深度时，闸室的各项稳定性评价指标的计算结果逐渐趋于稳定。5 结 语地基深度对水闸安全稳定性有限元计算结果的影响较大，但是具体影响如何当前没有进行深入的研究和分析，给水闸的设计计算带来一定的困扰。基于此，上文以某水闸工程为依托，探讨了地基建模深度对闸室稳定评价结果的影响。根据研究结果，在水闸安全稳定性评价有限元模型计算过程中，建议按照基岩上部的土层厚度确定模型的建模深度，可以在保证计算结果准确性的同时有效控制计算量。结论对理论研究和工程实践具有一定的支持和借鉴意义。当然，此次研究仅针对背景工程展开，其对一般工程的适应性和价值需要进一步的研究和探讨。参 考 文 献1徐宗白.盘山县大板桥排灌站抗滑、抗浮和抗倾稳定复核分析 J.黑龙江水利科技，2020，48（11）：63-66.2朱致远，牛志伟，张宇，李同春.Revit二次开发在水闸工程挡土墙设计中的应用 J.人民长江，2021，52（2）：117-121.3 宋文燕，范立群，李斌旭.徒骇河宫家闸除险加固方案比选及抗渗稳定分析 J.水利技术监督，2021（7）：222-225.4 马猛.基于土压力系数计算的水闸加筋挡墙的稳定性分析 J.黑龙江水利科技，2021，49（11）：17-19.5高洋.抚顺市清原县松树嘴进水闸加固设计分析 J.陕西水利，2019（9）：183-185.6刘鸿菊.赵家套拦河闸水闸结构设计及翼墙稳定计算探析 J.地下水，2019，41（5）：229-231.7梁佳铭，李占超，徐波，陆伟刚.水闸闸室安全性态影响因素重要性分析 J.水利水电科技进展，2020，40（3）：14-20.8黄琪.联和水库排洪分水闸重建工程设计分析 J.水利科学与寒区工程，2022，5（2）：72-74.收稿日期 2022-07-13（上接第39页）大，会给施工的顺利进行造成十分显著的不利影响。因此，在高水压富水地层的地下洞室工程施工过程中，需要及时采用注浆、锚杆施作等工程技术手段增大围岩的粘聚力和内摩擦角，有效提升围岩的抗剪强度，改善围岩的质量，以有效控制隧洞开挖造成的塑性破坏区范围。4 结 语此次研究结合轿顶子电站发电引水隧洞开挖工程，利用FLAC3D软件的流固耦合分析功能，对不同初始地下水水位条件下隧洞开挖后初支外侧水压力、围岩变形和塑性区分布特征进行模拟计算。结果显示，随着初始地下水位的上升，初支外水压力、围岩位移和塑性区体积均呈现出明显增大的变化特点，说明初始水位应该是富水破碎岩洞段施工中必须要考虑的重要因素，应采取科学合理的开挖支护技术手段，保证施工安全和质量。当然，围岩稳定性的影响因素众多，在今后的研究中需要对上述因素进行综合考虑，以获得更为科学和准确的研究结论，为理论研究和工程实践提供有益的支持和借鉴。参 考 文 献1潘特.轿顶子电站泄洪洞和引水隧洞并行段施工方案研究 J.东北水利水电，2021，39（1）：19-21.2于海龙.轿顶子电站泄洪洞下断面爆破开挖试验研究J.水利科学与寒区工程，2019（5）：108-110.3刘军，李小明.基于流固耦合数值模拟煤层底板破坏深度研究 J.华北科技学院学报，2019，16（4）：6-11.4张向东，李亦凡，李庆文，殷增光.考虑流固耦合效应深埋富水隧道围岩稳定性研究 J.长江科学院院报，2018，35（10）：98-103.5宁川.基于流固耦合理论的深埋隧洞衬砌防渗措施分析 J.水利建设与管理，2020，40（1）：25-30.6曹洋，王逸，邵雨辰.基于仿真体系模态下的流固耦合场泵站出水塔动力响应特征分析研究 J.水利技术监督，2020（5）：164-169.7梁坤.Flac3D流固耦合计算初始渗流场设置方式探讨J.黑龙江水利科技，2022，50（3）：101-103.8崔高麓.基于流固耦合计算的边坡在水位变动情况下的变形机理分析 J