地下洞室自穩(wěn)性的尺寸效應(yīng)研究

(桓仁縣水務(wù)移民服務(wù)中心，遼寧 桓仁 117200)

隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)水利工程建設(shè)必將面對(duì)更為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。較大規(guī)模的水電工程建設(shè)必然會(huì)需要開挖大量地下洞室，由于這些地下洞室的穩(wěn)定性對(duì)工程本身的安全性、可行性具有重要影響，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)就成為水電工程建設(shè)的重要課題[1]。雖然水電工程的地下洞室建設(shè)會(huì)避開大規(guī)模斷裂地層，但是小斷層和節(jié)理發(fā)育往往不可避免，并可能對(duì)洞室的穩(wěn)定性造成影響[2]。顯然，在類似的地質(zhì)條件下，地下洞室的尺寸不同，其潛在的變形與破壞方式也有所不同，因此，也應(yīng)該選擇不同的開挖和支護(hù)方式[3]。因此，展開對(duì)地下洞室自穩(wěn)性的尺寸效應(yīng)研究具有重要理論意義和工程價(jià)值。

1 研究樣本的選擇

1.1 研究洞段

為了研究洞室尺寸在自穩(wěn)性方面的效應(yīng)，需要選擇不同尺寸的樣本洞段進(jìn)行模擬，并且這些洞段應(yīng)該具有相似的工程地質(zhì)條件[4]?；谏鲜隹紤]，本次研究以遼寧省勝利水電站的地下洞室為研究對(duì)象，從高程、地應(yīng)力、巖性以及洞室的寬高比例等方面進(jìn)行綜合考慮，最終選擇發(fā)電廠房、安全洞、通風(fēng)洞和排水廊道LD1-1與LD1-2三種不同尺寸的洞室展開研究(洞室樣本的條件見表1)。由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，所有樣本的洞室寬高比均接近1∶1，且三種不同尺寸的洞室處于同一區(qū)域，具有相似的地應(yīng)力條件，高程也基本相同，基本滿足本次對(duì)比研究的要求。

表1 各洞室樣本的條件比較

1.2 巖體結(jié)構(gòu)特征

本次研究中的小尺寸洞段為排水廊道LD1-1和LD1-2，總長(zhǎng)度分別為76.45m和65.43m，圍巖以Ⅱ類和Ⅲ類為主，巖體結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為塊—次塊狀；中尺寸洞段為安全洞和通風(fēng)洞，總長(zhǎng)分別為38.50m和51.50m，圍巖以Ⅱ類為主，部分部位為Ⅲ類，巖體結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為塊—次塊狀；大尺寸洞段為發(fā)電廠房，圍巖以Ⅱ類為主，部分部位為Ⅲ類，巖體結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為塊—次塊狀(圍巖結(jié)構(gòu)與類別見表2)。由此可見，中尺寸洞室的圍巖最好，小尺寸洞室次之，大尺寸洞室的圍巖最差。究其原因，主要是排水廊道存在較多同向節(jié)理發(fā)育，造成圍巖類別整體偏低。

表2 圍巖結(jié)構(gòu)與類別統(tǒng)計(jì)

1.3 樣本洞段變形破壞特征

對(duì)樣本洞段進(jìn)行實(shí)地考察，結(jié)果顯示不同尺寸的洞段在變形破壞方面具有不同特征。其中，小尺寸洞室基本不存在結(jié)構(gòu)控制型變形破壞，主要表現(xiàn)為應(yīng)力控制型變形破壞，部分表現(xiàn)為應(yīng)力—結(jié)構(gòu)控制型變形破壞，如片幫現(xiàn)象和緩傾角剝落；中尺度樣本洞段的圍巖情況最好，變形破壞主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)控制型和應(yīng)力—結(jié)構(gòu)控制型變形破壞，例如張裂塌落、滑落掉塊等；大尺寸洞室的變形破壞模式最為全面，但是以結(jié)構(gòu)控制型變形破壞為主，部分表現(xiàn)為應(yīng)力—結(jié)構(gòu)型，應(yīng)力控制型破壞較為少見。

2 模型的構(gòu)建

2.1 構(gòu)建依據(jù)和思路

對(duì)勝利水電站地下洞室群不同尺寸樣本洞段的巖體結(jié)構(gòu)與變形特征進(jìn)行的分析顯示，地下洞室的巖體結(jié)構(gòu)與變形特征與洞室尺寸有關(guān)，存在一定的尺寸效應(yīng)?？傮w來(lái)看，洞室尺寸較大時(shí)，圍巖的巖體結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為塊狀和次塊狀，局部存在鑲嵌結(jié)構(gòu)，變形以結(jié)構(gòu)控制型為主；洞室尺寸較小時(shí)，圍巖的巖體結(jié)構(gòu)主要以塊狀為主，不存在鑲嵌結(jié)構(gòu)，變形主要以應(yīng)力控制型為主。本次研究擬通過(guò)應(yīng)力、變形、塑性區(qū)以及自穩(wěn)性等視角對(duì)上述尺寸效應(yīng)進(jìn)行深入探究[5]。鑒于上述方面的數(shù)據(jù)難以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察獲取，因此擬利用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，最后利用Tecplot軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理分析[6]。

2.2 模型的構(gòu)建

由于樣本洞段包括三個(gè)不同的尺寸，因此，模型試驗(yàn)建立5個(gè)洞室斷面FLAC3D有限元模型，編號(hào)分別為A、B、C、D、E。其中，A、B、E三個(gè)斷面分別對(duì)應(yīng)樣本中的小尺寸、中尺寸和大尺寸斷面，C、D兩個(gè)斷面為增加斷面，洞室的拱頂為圓弧形。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論，模型的尺寸為斷面尺寸的5～8倍最為合理，本次研究中按照6倍取整，最終獲得模型斷面尺寸(見表3)[7]。

表3 模型斷面尺寸設(shè)計(jì)

2.3 參數(shù)與邊界條件

由于樣本洞段的圍巖以Ⅱ類圍巖為主，根據(jù)相關(guān)研究資料[8]和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)計(jì)算模型的參數(shù)進(jìn)行概化(見表4)。模型邊界采取底部固定約束，在初始應(yīng)力生成階段，在三個(gè)方向均進(jìn)行位移約束，在計(jì)算階段X、Y方向分別約束法向線位移，模型頂面無(wú)約束。

表4 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3 模型計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 洞室變形特征對(duì)比分析

利用構(gòu)建的FLAC3D模型對(duì)不同尺寸洞室的彈性位移進(jìn)行模擬計(jì)算。由計(jì)算結(jié)果可知，斷面A和斷面B，也就是洞室尺寸較小時(shí)，洞室受到自重應(yīng)力的影響較小，位移變形主要受構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)影響，位移變形主要集中于下游側(cè)的右邊墻和拱肩，變形量與洞室尺寸間基本為線性關(guān)系；在洞室尺寸為15m，也就是斷面C條件下，自重影響范圍明顯增大，洞室位移變形主要分布于右邊墻和拱頂，變形量與洞室尺寸間已經(jīng)不能通過(guò)線性關(guān)系描述；在洞室尺寸較大時(shí)，自重應(yīng)力成為洞室位移變形的主要因素，主要變形出現(xiàn)在拱頂和右拱肩，變形量與洞室尺寸表現(xiàn)為非線性關(guān)系。利用計(jì)算結(jié)果對(duì)洞室總位移量和洞室尺寸進(jìn)行回歸分析(見圖1)。由圖1可知，位移量與洞室尺寸關(guān)系可以用二次函數(shù)近似表達(dá)。

圖1 位移量與洞室尺寸回歸分析

3.2 洞室塑性區(qū)特征對(duì)比分析

針對(duì)勝利水電站地下洞室群的實(shí)際地質(zhì)條件，利用構(gòu)建的模型對(duì)不同尺寸條件下的洞室塑性區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。根據(jù)獲得的各個(gè)模擬斷面的塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)洞室尺寸較小時(shí)，邊墻和底部的塑性區(qū)深度最大，拱頂次之，隨著洞室尺寸的逐漸增大，塑性區(qū)深度上的差異逐漸變小，相對(duì)而言，邊墻的底腳與頂腳位置的塑性區(qū)深度略小，當(dāng)洞室尺寸較大時(shí)，各部位的塑性區(qū)深度基本趨于一致，不存在明顯的差異。利用計(jì)算成果，對(duì)塑性區(qū)深度和洞室半徑進(jìn)行回歸分析(見圖2)。由圖2可知，塑性區(qū)深度與洞室尺寸關(guān)系可以用二次函數(shù)近似表達(dá)，說(shuō)明在復(fù)雜的地應(yīng)力環(huán)境下，塑性區(qū)深度和洞室尺寸之間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，在洞室尺寸較小時(shí)，塑性區(qū)深度隨洞室尺寸的增加變幅較小，當(dāng)洞室尺寸較大時(shí)，塑性區(qū)深度增加比較迅速。

圖2 塑性區(qū)深度和洞室半徑回歸分析

3.3 洞室自穩(wěn)定性對(duì)比分析

對(duì)地下洞室開挖后的位移變形以及塑性區(qū)深度的研究結(jié)果顯示，兩者存在明顯的洞室尺寸效應(yīng)，并且近似表現(xiàn)為二次函數(shù)關(guān)系，這說(shuō)明洞室尺寸增大，其自穩(wěn)定性會(huì)大幅降低，產(chǎn)生變形破壞的可能性顯著增大。

圖3 Ⅰ型圍巖節(jié)理組合

以上分析均將洞室圍巖視為均勻連續(xù)介質(zhì)，在洞室圍巖中存在不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的情況下，洞室的變形破壞亦存在尺寸效應(yīng)。具體而言，尺寸較小的洞室圍巖可以視為整體狀態(tài)結(jié)構(gòu)(見圖3)，圍巖的變形機(jī)制主要表現(xiàn)為彈性與塑性變形，變形量較小，可以忽略不計(jì)；當(dāng)洞室尺寸增大后，洞室圍巖的結(jié)構(gòu)面表現(xiàn)為“層”狀(見圖4)，其變形主要呈現(xiàn)為彎曲變形，同時(shí)輔以結(jié)構(gòu)面的張合變形。此外，若考慮應(yīng)力因素，圍巖的片幫變形亦包含在內(nèi)，而圍巖材料變形的占比不斷縮小；當(dāng)洞室尺寸進(jìn)一步增大時(shí)，圍巖被節(jié)理切割為較小的塊體(見圖5)，變形主要呈現(xiàn)為滑動(dòng)和滾動(dòng)變形，輔以結(jié)構(gòu)面的張合，圍巖材料變形的占比進(jìn)一步縮?。划?dāng)洞室尺寸進(jìn)一步增大時(shí)，圍巖被節(jié)理分割成的塊體相對(duì)于洞室而言體積更小(見圖6)，變形主要表現(xiàn)為碎塊的滑動(dòng)、滾動(dòng)和塌落，塑性變形占比進(jìn)一步減小，可以忽略不計(jì)?？傊词业臄嗝娉叽鐣?huì)對(duì)圍巖的結(jié)構(gòu)類型造成顯著影響，進(jìn)而影響到圍巖的變形機(jī)制和變形量。

圖4 Ⅱ型圍巖節(jié)理組合

圖5 Ⅲ型圍巖節(jié)理組合

圖6 Ⅳ型圍巖節(jié)理組合

4 結(jié) 論

大型水電工程往往需要建設(shè)諸多地下洞室，從而形成地下洞室群。工程實(shí)踐顯示，這些洞徑不同的地下洞室雖然具有類似的地質(zhì)環(huán)境和圍巖性質(zhì)，但是洞室破壞往往存在顯著不同的特征，因此，認(rèn)為洞室變形破壞存在尺寸效應(yīng)。

本文以遼寧省勝利水電站的地下洞室群為例，選擇不同尺寸的洞室斷面，利用FLAC3D軟件對(duì)洞室變形的尺寸效應(yīng)展開研究，并獲得如下結(jié)論：樣本洞段的圍巖以Ⅱ類和Ⅲ類為主，巖體結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為塊—次塊狀，中尺寸洞室的圍巖最好，小尺寸洞室次之，大尺寸洞室的圍巖最差；樣本洞段變形破壞主要包括結(jié)構(gòu)控制型、應(yīng)力控制型以及應(yīng)力—結(jié)構(gòu)控制型三種主要型式。其中，結(jié)構(gòu)控制型變形破壞最多，應(yīng)力—結(jié)構(gòu)型次之，應(yīng)力控制型破壞比較少見；模型模擬計(jì)算結(jié)果顯示，洞室變形位移、塑性區(qū)深度與洞室尺寸之間并不是線性關(guān)系，可以用二次函數(shù)關(guān)系近似表達(dá)，說(shuō)明洞室尺寸增大，其自穩(wěn)定性會(huì)大幅降低，產(chǎn)生變形破壞的可能性顯著增大。