集水廊道頂部充水溶洞對圍巖位移的影響——以石林水庫為例

李亞云，陳 婷，莫世遠(yuǎn)，張營營，徐 楓

（三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌443002）

巖溶是隧道、水工隧洞以及礦山等地下工程建設(shè)中最為常見的不良地質(zhì)之一［1－2］。隨著我國西南地區(qū)水電建設(shè)的發(fā)展，越來越多的地下水庫、水工隧洞都會受到不同程度巖溶危害的影響［3］。巖溶區(qū)地質(zhì)環(huán)境惡劣，在修建地下水電工程中，巖溶的存在不僅給施工帶來極大困難，也會給人民生命財產(chǎn)造成威脅。現(xiàn)在大多數(shù)研究來自于巖溶洞隙對鐵路隧道和公路隧道等圍巖穩(wěn)定性的影響［4－5］，而對水工建設(shè)中充水溶洞的研究較少。本文依托石林水庫工程研究了不同大小和不同距離的頂部充水溶洞對集水廊道圍巖位移的影響，為集水廊道安全施工提供了一定的理論依據(jù)。

1 工程算例

1．1 工程概況

云南省石林地下水庫位于喀斯特地區(qū)，巖溶發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜，地下暗河發(fā)育。水庫主體工程由大壩工程、集水廊道及地下暗河疏通隧洞工程、庫間連通隧洞工程、溢洪道工程、輸水涵洞工程共五部份組成。水庫總庫容為675．09萬m3，地下274．8萬m3。集水廊道是石林地下水庫工程中比較重要的單項工程，根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，在地下暗河附近300m范圍內(nèi)都可能存在地下暗河支流分布。集水廊道與壩軸線平行，廊道橫斷面為城門洞型，凈寬3．4m，預(yù)計高程1811～1827．5m。廊道洞室圍巖洞頂及邊墻巖石為軟－中硬巖，圍巖類別為Ⅲ～Ⅳ類，局部穩(wěn)定性較差。特別是該段可能存在巖溶洞穴，庫區(qū)內(nèi)調(diào)查的溶洞，洞高4．1～9．7m，可見長度28～581m。集水廊道設(shè)置高程較低，基本均在地下水位以下，施工中如不考慮巖溶洞穴對廊道開挖的影響，極有可能發(fā)生地下暗河突然涌水，危及施工安全。

1．2 有限元模型建立

本文選取云南的石林地下水庫集水廊道為研究對象，采用有限元軟件abaqus進(jìn)行數(shù)值模擬計算，分析不同大小和不同距離的頂部充水溶洞對集水廊道圍巖位移的影響。研究中取凈寬為3．4m的廊道斷面進(jìn)行研究，斷面為城門洞型。劉之葵等在對巖溶的空間形態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計時提出，當(dāng)溶洞洞徑比較小時，溶洞的斷面大多是圓形或近似圓形［6］。石林水庫庫區(qū)內(nèi)調(diào)查的溶洞，洞高4．1～9．7m，可見長度28～581m，大多屬于中小型溶洞，故假設(shè)溶洞斷面為圓形來進(jìn)行數(shù)值模擬。

建立有限元模型時，為盡量減小邊界效應(yīng)，從廊道洞室側(cè)壁向兩側(cè)各取約4倍洞徑，模型橫向尺寸沿X軸共計30m，豎直方向沿Y軸邊界也取約4倍的洞徑，模型豎向共計約40m高，模型縱向沿Z軸長度為30m。忽略實際工程中溶洞四周的巖溶發(fā)育，襯砌選取線彈性模型，襯砌混凝土為C25。圍巖的力學(xué)模型采用連續(xù)介質(zhì)模型。模型左右平面邊界上施加X方向水平約束，前后兩個平面邊界施加Z方向軸向約束，底部邊界上施加Y方向的豎向位移約束，上部邊界面施加荷載。初始地應(yīng)力計算只考慮由于巖體自重和溶洞內(nèi)水壓力產(chǎn)生的應(yīng)力場，忽略巖體中的裂隙水壓力和構(gòu)造應(yīng)力場。取Z＝15m為所要研究的監(jiān)測斷面，該斷面為溶洞縱向中間斷面，為危險斷面，最具有代表性。圖1為計算模型的特征點設(shè)置和模型網(wǎng)格劃分圖。

1．3 計算參數(shù)

本次模型研究在分析不同大小和不同距離的頂部充水溶洞對集水廊道圍巖位移的影響時，廊道圍巖選用Ⅳ級圍巖來進(jìn)行計算。具體模型參數(shù)見表1。

圖1 計算模型的特征點設(shè)置及模型網(wǎng)格劃分圖

表1 材料力學(xué)參數(shù)

1．4 計算工況

（1）工況一：保持溶洞底到廊道頂?shù)呢Q直距離L不變，L＝3．4m，溶洞直徑D逐漸變化，由無溶洞到溶洞直徑D分別為2m，4m，6m，8m，10m。

（2）工況二：保持溶洞直徑D不變，D＝3．4m，與廊道斷面大小相等，改變?nèi)芏吹椎嚼鹊理數(shù)呢Q直距離L，分別取1m，2m，3m，4m，5m，6m，7m和8m。

2 計算結(jié)果分析

2．1 不同大小溶洞對廊道圍巖位移的影響

保持溶洞到廊道間的距離不變，改變?nèi)芏粗睆酱笮?，不同大小溶洞下集水廊道各特征點的豎向位移和水平位移變化情況如圖2所示。

圖2 不同直徑溶洞下廊道各特征點的豎向位移和水平位移

由廊道各特征點豎向位移曲線圖2可見，保持溶洞底到廊道頂?shù)木嚯x不變，對比無溶洞的情況，隨著溶洞直徑的增加，廊道各特征點的豎向位移均有所減小。當(dāng)廊道周圍不存在溶洞時，廊道拱頂位移下沉值為－10．13mm，溶洞較小時，取溶洞直徑為2m時，廊道拱頂下沉位移為－9．84mm，溶洞引起的拱頂沉降值相比無溶洞時減小約3%；溶洞較大時，取溶洞直徑為10m時，廊道拱頂下沉位移為－8．43mm，相比無溶洞時減小約17%。廊道的拱腰、側(cè)壁、墻角和拱底沉降位移變化規(guī)律一致，只是在數(shù)值上稍有不同。從數(shù)值上看，拱頂豎向位移減小最為明顯，其次是拱底向上隆起的位移，然后是拱腰和墻角的位移值，影響最小的是側(cè)壁位移值。由廊道各特征點的水平位移曲線圖可以看出，廊道拱頂和拱底的水平位移基本為0，而拱腰和墻角的水平位移對比無溶洞時的水平位移值有所增加，且隨著溶洞直徑的增大而逐漸增大，側(cè)壁水平位移值對比無溶洞時有所減小，且隨著溶洞直徑的增大而逐漸減小。

2．2 不同間距溶洞對廊道圍巖位移的影響

保持溶洞直徑不變，改變?nèi)芏吹椎嚼鹊理斨g的距離，不同間距溶洞對集水廊道各特征點的豎向位移和水平位移變化情況如圖3所示。

圖3 不同間距溶洞下廊道各特征點的豎向位移和水平位移

由廊道各特征點位移曲線圖3可見，保持溶洞直徑不變，當(dāng)廊道頂部存在溶洞時，隨著溶洞底到廊道頂距離的逐漸增大，豎向位移中拱底和墻角位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，拱頂、拱腰和側(cè)壁的下沉值先減小后增大，且變化幅度較小。對比無溶洞情況，廊道各特征點豎向位移在數(shù)值上均有一定程度的減小。其中，當(dāng)溶洞底到廊道頂距離為1m時，廊道墻角豎向位移相比無溶洞時減小幅度最大，減小值約為30%。其次是拱頂和拱底豎向位移值，相比無溶洞時減小值約為17%，影響最小的為拱腰和側(cè)壁豎向位移值。當(dāng)溶洞底到廊道頂?shù)木嚯x為8m時，廊道各特征點的豎向位移值相比無溶洞時的位移值減小幅度最小，可見溶洞在遠(yuǎn)離廊道頂部的同時，對廊道的影響也在逐漸減弱。水平位移中，拱頂和拱底的位移基本為0，墻角水平位移值變化不大。隨著溶洞底到廊道頂?shù)木嚯x逐漸增大，拱腰和側(cè)壁的水平位移值先增大后減小，在溶洞底與廊道頂間距為4m時達(dá)到最大，相比無溶洞情況增加值約為50%，在溶洞底到廊道頂?shù)木嚯x為7m時趨于平穩(wěn)，相比無溶洞變化值最小，對廊道圍巖位移影響最小。

3 結(jié) 論

通過對以上兩種工況的結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）廊道頂部充水溶洞在一定程度上抑制了廊道各特征點的位移。保持溶洞底與廊道頂之間距離不變，相比無溶洞情況，隨著溶洞直徑逐漸增加，廊道各特征點的豎向位移呈減小趨勢，與溶洞直徑成反比，廊道拱頂和拱底豎向位移值變化較大。與豎向位移變化規(guī)律不同的是，廊道拱頂和拱底的水平位移基本為0，而拱腰和墻角的水平位移對比無溶洞時的水平位移值有所增加，且隨著溶洞直徑的增大而逐漸增大，拱腰、墻角和側(cè)壁的位移變化以豎向位移為主，水平位移小于豎向位移。

（2）保持溶洞直徑不變，隨著溶洞與廊道間距的增大，豎向位移中拱頂、拱腰和側(cè)壁的下沉值先減小后增大，變化幅度較小，且在溶洞底到廊道頂?shù)木嚯x為8m時，即溶洞遠(yuǎn)離廊道頂部的時候，相比無溶洞時豎向位移減小值最小，對廊道的影響也最小，可知側(cè)壁以上廊道豎向位移減小值與溶洞底和廊道頂之間的距離呈反比。墻角和拱底的豎向位移值一直呈增大趨勢，位移變化最大值位于墻角處，與溶洞到廊道間的距離呈正比。水平位移中，拱頂和拱底的位移基本為0，墻角水平位移值變化不大。相比無溶洞情況，拱腰和側(cè)壁水平位移值先增大后減小，在溶洞底到廊道頂?shù)木嚯x為4m時變化值最大，在溶洞底到廊道頂?shù)木嚯x為7m時趨于平穩(wěn)，對廊道圍巖位移影響最小。

［1］孫笑，趙明階．巖溶對水工隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響及研究進(jìn)展［J］．科技傳播，2010（7）：27－28．

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