錯(cuò)動(dòng)帶對(duì)引水隧洞圍巖穩(wěn)定性影響的Flac3D模擬分析

張冬冬，張東鳳，劉海生

（1.中國地質(zhì)大學(xué)<武漢>工程學(xué)院，湖北武漢430074；2.菏澤瀚麟建筑設(shè)計(jì)院有限公司，山東菏澤274900；3.青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海西寧810028）

錯(cuò)動(dòng)帶對(duì)引水隧洞圍巖穩(wěn)定性影響的Flac3D模擬分析

張冬冬*1，張東鳳2，劉海生3

（1.中國地質(zhì)大學(xué)<武漢>工程學(xué)院，湖北武漢430074；2.菏澤瀚麟建筑設(shè)計(jì)院有限公司，山東菏澤274900；3.青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海西寧810028）

引水隧洞是水電站建設(shè)中的重要構(gòu)筑物。西南某水電站引水隧洞區(qū)域發(fā)育層間錯(cuò)動(dòng)帶，遍布節(jié)理裂隙地質(zhì)條件復(fù)雜。以已開挖段引水洞隧洞為研究對(duì)象，基于Flac3D有限差分軟件，采用數(shù)值模擬的方法，研究在層間錯(cuò)動(dòng)帶影響下隧洞開挖過程中圍巖的變形規(guī)律與特征、圍巖應(yīng)力分布及其變化規(guī)律、塑性區(qū)范圍。對(duì)保障施工安全、加快施工進(jìn)度，指導(dǎo)相關(guān)隧洞設(shè)計(jì)施工均具有十分重要的意義。

錯(cuò)動(dòng)帶；引水隧洞；數(shù)值模擬；圍巖穩(wěn)定性

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)電力的強(qiáng)勁需求，給水電事業(yè)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇，我國西南地區(qū)水能資源蘊(yùn)藏量約占全國水能資源總量的69%，在西南地區(qū)的水能開發(fā)利用中，往往采用引水發(fā)電系統(tǒng)的工程布置，然而西南地區(qū)高山峽谷地勢(shì)陡峻、構(gòu)造斷裂較為發(fā)育、地震活動(dòng)頻繁，引水隧洞穿越的地質(zhì)條件復(fù)雜，因此隧洞圍巖穩(wěn)定性關(guān)系到整個(gè)水利工程的施工和運(yùn)營安全[1]。因此分析評(píng)價(jià)引水隧洞圍巖穩(wěn)定性，為解決引水隧洞在設(shè)計(jì)和施工中的各類問題，提供可靠的地質(zhì)依據(jù)，顯得尤為重要。

前人對(duì)層間錯(cuò)動(dòng)帶的研究也取得了很大成果，如江權(quán)等[2]通過6種錯(cuò)動(dòng)帶試驗(yàn)研究，對(duì)層間錯(cuò)動(dòng)帶的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了探討。史存鵬等[3]從微觀結(jié)構(gòu)角度對(duì)層間錯(cuò)動(dòng)帶的結(jié)構(gòu)特性及化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。徐鼎平等[4]通過室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)對(duì)層間錯(cuò)動(dòng)帶的剪切特性進(jìn)行了研究，得出層間材料和土/巖接觸面都表現(xiàn)出無剪脹行為的理想彈塑性力學(xué)特性；層間材料的蠕變特性不明顯；劉強(qiáng)等[6]利用3DEC離散元軟件對(duì)錯(cuò)動(dòng)帶對(duì)導(dǎo)流隧洞圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。目前對(duì)于錯(cuò)動(dòng)帶圍巖穩(wěn)定性的影響和錯(cuò)動(dòng)帶特性的研究雖然取得了很多成果，但對(duì)錯(cuò)動(dòng)帶出露隧洞不同位置下對(duì)圍巖穩(wěn)定性的分析研究較少。基于此，本文采用Flac3D軟件，模擬在不同位置下，層間錯(cuò)動(dòng)帶對(duì)隧洞的開挖變形的影響，為隧洞的施工設(shè)計(jì)提供參考。

1　地質(zhì)概化模型與計(jì)算條件

1.1工程地質(zhì)概況

水電站位于金沙江下游，引水隧洞均采用單機(jī)單洞豎井式布置，每岸各布置8條，由上平段、上彎段、豎井段、下彎段和下平段組成。左岸壓力管道總長395～ 407m，上平段與上彎段上覆巖體厚度95～160m,巖性為隱晶質(zhì)玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖和凝灰?guī)r等。以堅(jiān)硬玄武巖為主，角礫巖凝灰?guī)r含量較高，強(qiáng)度相對(duì)較低。引水洞軸線與巖層走向近垂直。某層間錯(cuò)動(dòng)帶斜穿1號(hào)-8號(hào)引水洞（1號(hào)洞末端-8號(hào)洞前部）寬約30cm,層間錯(cuò)動(dòng)帶傾角緩，對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性影響較大，水平影響范圍約20m。層間錯(cuò)動(dòng)帶總體上平直，產(chǎn)狀一般N40°～50°E,SE∠13°～20°，層間帶主要由角礫化構(gòu)造巖組成，錯(cuò)動(dòng)帶中部一般1～5cm的斷層泥為巖屑夾泥型，在引水洞出露樁號(hào)為K0+000～K0+067[8]。本文以左岸8號(hào)引水洞出露的層間錯(cuò)動(dòng)帶所在上平段為例,通過建立地質(zhì)模型，采用三維有限差分模擬軟件分析層間錯(cuò)動(dòng)帶在穿越隧洞特殊部位時(shí)，對(duì)洞室的應(yīng)力應(yīng)變及塑性區(qū)影響，為其他引水洞的開挖支護(hù)提供參考。

1.2計(jì)算模型及材料參數(shù)

所模擬的引水隧洞埋深120～140m，選取隧道各斷面開挖尺寸12m×21m×1m（高×寬×深），起點(diǎn)高程為743.8m，終點(diǎn)高程731.5m。全斷面開挖，根據(jù)圣維南原理，隧洞開挖后的應(yīng)力和應(yīng)變，僅在距洞室斷面3～5倍隧洞開挖寬度的范圍內(nèi)存在影響[7]。模型范圍上下邊界取4倍洞徑，左右邊界取5倍洞徑，縱向取單位長度，考慮到層間錯(cuò)動(dòng)帶的特殊性及網(wǎng)格單元?jiǎng)澐值囊螅捎肁nsys中建模后導(dǎo)入Flac3D中計(jì)算分析。計(jì)算模型分別模擬實(shí)際工況錯(cuò)動(dòng)帶出露頂拱以上、穿過隧洞拱肩以及從隧洞邊墻穿過3種模型（圖1）并建立無層間錯(cuò)動(dòng)帶工況下的模型。

所研究巖體均為理想的彈塑性介質(zhì)，巖體地應(yīng)力場(chǎng)的垂直方向應(yīng)力由上覆巖層的重量引起，經(jīng)實(shí)測(cè)地應(yīng)力值結(jié)合洞室軸線走向綜合考慮后，取z軸方向的應(yīng)力為-3.27×106Pa,測(cè)壓系數(shù)取1.5，施加到x軸和y軸應(yīng)力為-4.7×106Pa。洞室圍巖以次塊狀和塊狀結(jié)構(gòu)為主，部分為鑲嵌結(jié)構(gòu)，洞頂以Ⅲ1類圍巖為主，層間錯(cuò)動(dòng)帶影響部位為4類圍巖，邊墻以Ⅱ類圍巖為主。隧洞圍巖介質(zhì)采用為莫爾—庫倫模型（Mohr-Coulomb Mod?el），模型底部邊界限制為垂直位移，四周邊界限制為水平位移。圍巖參數(shù)按照《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB50487-2008）[14]和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選取，具體圍巖參數(shù)見表1。

2　結(jié)果分析

2.1隧洞圍巖位移分析

為了更加直觀的分析層間錯(cuò)動(dòng)帶出露部位對(duì)隧洞洞周圍巖位移的影響，計(jì)算過程中在隧洞的斷面上設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，圖2為錯(cuò)動(dòng)帶出露隧洞不同位置下開挖后圍巖水平和豎向位移分布圖。隧洞開挖后,圍巖變形總體表現(xiàn)在拱頂下沉，底板隆起,左右邊墻向臨空面位移。對(duì)于工況一,拱頂下沉位移最大值為8.9cm,拱底隆起位移為3.9cm,圍巖最大水平位移出現(xiàn)在左拱肩上部,與洞中心成約35°角的部位有最大值,其大小為3.5cm,水平向位移呈非對(duì)稱性分布,并且在左側(cè)拱角部位水平向位移分布較廣些,隨著向洞室周邊距離的增大,水平向位移逐漸減小。工況二開挖后,圍巖的豎向位移與工況一相比,最大豎向位移仍然位于頂拱部位,最大值為8.6cm,拱底處圍巖拱起,最大拱起位移為4.5cm,水平向最大位移主要出現(xiàn)在左右兩側(cè)壁層間錯(cuò)動(dòng)帶下盤位置,拱頂和拱底水平位移較小。工況三開挖后,最大的豎向位移出現(xiàn)在邊墻中部,最大下沉量為7.2cm,底板部位向上隆起,最大隆起位移為5.8cm,水平向位移在兩側(cè)邊墻錯(cuò)動(dòng)帶出露部位,向兩側(cè)逐漸減小。對(duì)圖中各數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)層間錯(cuò)動(dòng)帶在拱肩及以上出露時(shí)，拱頂?shù)某两盗孔畲?，邊墻水平位移也較大，可構(gòu)成塊體滑面，對(duì)洞室穩(wěn)定不利；當(dāng)錯(cuò)動(dòng)帶在邊墻出露時(shí)，對(duì)頂拱和底板的豎向位移都較大；當(dāng)層間錯(cuò)動(dòng)帶在邊墻處出露時(shí)，底板拱起現(xiàn)象最嚴(yán)重；另外隧洞的左側(cè)水平位移同位置明顯大于左側(cè)，經(jīng)分析原因?yàn)殄e(cuò)動(dòng)帶左側(cè)出露高程低于右側(cè)，建議對(duì)左側(cè)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

圖2　各工況下位移值

2.2隧洞圍巖應(yīng)力分析

圖3為工況一隧洞開挖后圍巖的應(yīng)力分布圖。從應(yīng)力云圖中可以看出,隨著隧洞的開挖修建,整個(gè)地層大部分區(qū)域都是受壓的,只是在隧洞附近一個(gè)很小的區(qū)域范圍內(nèi)出現(xiàn)水平拉應(yīng)力。對(duì)于工況一，最大主應(yīng)力值集中發(fā)生兩側(cè)拱肩處,向兩側(cè)逐漸減小,最大拉應(yīng)力值為0.22MPa（圖3a）。水平方向左側(cè)邊墻出現(xiàn)拉應(yīng)力，拱頂應(yīng)力較?。▓D3c）。垂直方向左側(cè)邊墻中部應(yīng)力最大，底板中部應(yīng)力次之，拱頂應(yīng)力最小，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力（圖3b）。引水隧洞拱頂、拱肩與各邊墻交線出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，兩側(cè)邊墻出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，垂直方向未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

圖3　工況一的應(yīng)力云圖

結(jié)合工況二和工況三的應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，隧洞開挖后的應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)多處應(yīng)力集中現(xiàn)象,水平方向頂拱多出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大應(yīng)力值達(dá)到2.12MPa，以頂拱位置向兩側(cè)又出現(xiàn)壓應(yīng)力，高應(yīng)力比因素可能造成頂拱巖體應(yīng)力集中加劇，造成頂拱掉塊塌落。邊墻部位也出現(xiàn)一定的水平拉應(yīng)力，可能會(huì)形成片幫，巖體松動(dòng)。豎直方向頂拱和底板的應(yīng)力都明顯小于兩側(cè)，環(huán)向應(yīng)力加劇，隧洞開挖后，容易造成底板隆起和頂拱掉塊。

工況四無層間帶隧洞開挖后應(yīng)力場(chǎng)分布差別較大,水平方向拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在底板位置，頂拱和底板應(yīng)力應(yīng)力釋放，垂直應(yīng)力也小于其他部位，在拱肩部位出現(xiàn)最大壓應(yīng)力6.14MPa。

2.3隧洞圍巖塑性區(qū)分析

隧洞開挖后圍巖的塑性破壞區(qū)主要出現(xiàn)在隧洞四周，以剪切破壞為主。拱腳附近和邊墻塑性破壞區(qū)相對(duì)較大，受層間錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)狀影響左邊墻塑性區(qū)明顯多于右邊墻。查看各工況發(fā)現(xiàn):當(dāng)錯(cuò)動(dòng)帶在拱頂出露時(shí)，塑性區(qū)范圍較大，主要出現(xiàn)在拱頂以上以及邊墻中部附近并沿錯(cuò)動(dòng)帶有一定距離的延伸，對(duì)底板的影響微弱；當(dāng)錯(cuò)動(dòng)帶在拱肩時(shí)，塑性區(qū)部位主要在起拱線以下，塑性區(qū)的深度在5.0m左右;當(dāng)錯(cuò)動(dòng)帶在邊墻出露時(shí)，塑性區(qū)主要在邊墻及底板附近，塑性區(qū)最大深度在6m左右；對(duì)比無層間錯(cuò)動(dòng)帶，塑性區(qū)只出現(xiàn)在起拱線以下部位和底腳附近深度4m左右。

根據(jù)引水隧洞開挖后位移變化規(guī)律和圍巖應(yīng)力重分布的規(guī)律，受錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)狀的影響，隧洞開挖后左側(cè)的塑性區(qū)明顯大于右側(cè)與位移云圖相一致。當(dāng)錯(cuò)動(dòng)帶在起拱線以上出露時(shí)，頂拱由于開挖卸荷并受錯(cuò)動(dòng)帶軟弱結(jié)構(gòu)面的影響產(chǎn)生結(jié)構(gòu)面控制性與應(yīng)力控制性雙重破壞。

3　結(jié)論

采用有限差分軟件Flac3D分析了錯(cuò)動(dòng)帶出露隧洞不同部位下開挖后圍巖的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分布,得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)層間錯(cuò)動(dòng)帶在拱肩以上出露時(shí)，塑性區(qū)以剪切破壞為主，頂拱的垂直應(yīng)力較小并出現(xiàn)水平拉應(yīng)力,受層間錯(cuò)動(dòng)帶影響，頂拱位移較大，容易在頂拱產(chǎn)生掉塊、塌落;應(yīng)加強(qiáng)對(duì)頂拱的監(jiān)測(cè)，開挖后應(yīng)對(duì)松動(dòng)塊體清楚后及時(shí)支護(hù)跟進(jìn)。

（2）受層間錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)狀影響，隧洞開挖后，左側(cè)邊墻的位移和塑性區(qū)明顯大于右側(cè)洞室，應(yīng)對(duì)左側(cè)邊墻加強(qiáng)支護(hù)。當(dāng)層間帶逼近頂拱開挖面時(shí)，高應(yīng)力比因素可能造成層間帶下方巖柱環(huán)向應(yīng)力集中加劇，高應(yīng)力破壞風(fēng)險(xiǎn)增大。

（3）由于錯(cuò)動(dòng)帶變形模量較小，洞室開挖后，在錯(cuò)動(dòng)帶部位出露附近出現(xiàn)拉應(yīng)力，對(duì)洞室穩(wěn)定十分不利，在開挖后，要充分考慮拉應(yīng)力的位置，加強(qiáng)支護(hù)，防止圍巖拉裂破壞。

（4）當(dāng)層間帶切割隧洞時(shí)，層間帶自身的低應(yīng)力區(qū)，可能形成局部應(yīng)力松弛等問題，塑性區(qū)明顯加大，容易產(chǎn)生片幫、掉塊，對(duì)隧洞影響最大，尤其對(duì)拱頂?shù)奈灰茟?yīng)該加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

[1]司洪濤.四川省灣東二級(jí)水電站弓水隧洞圍巖穩(wěn)定性研究[D].成都理工大學(xué)碩士論文，2012.

[2]江權(quán)，馮夏庭，周輝，等.層間錯(cuò)動(dòng)帶的強(qiáng)度參數(shù)取值探討[J].巖土力學(xué)，2011，32（11）:3301-3307.

[3]史存鵬，馮夏庭.白鶴灘層間錯(cuò)動(dòng)帶微結(jié)構(gòu)特性及其化學(xué)改性初探[J].巖土力學(xué)，2013，34（5）:1287-1289.

[4] 徐鼎平，馮夏庭，崔玉軍，等.含層間錯(cuò)動(dòng)帶巖體的破壞模式及其剪切特性研究方法探討[J].巖土力學(xué)，2012，33（1）: 129-136.

[5] 楊飛，呂康，陳益民，等.西南某水電站壓力管道襯砌形式選擇[R].

[6]劉強(qiáng)，吳文斌，段隆臣，等.錯(cuò)動(dòng)帶對(duì)導(dǎo)流隧洞圍巖穩(wěn)定影響的3DEC模擬[J].人民長江，2015，46（3）:869-873.

[7] 董書明,辛全才,盧樹盛.斷面形狀對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2011（1）：102-107.

[8]金沙江白鶴灘水電站引水發(fā)電系統(tǒng)土建及金屬結(jié)構(gòu)安裝工程招標(biāo)公告[R].

[9]葉金漢.巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)[M].北京：水利電力出版社，1991.

[10]金長宇,張春生,馮夏庭.錯(cuò)動(dòng)帶對(duì)超大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定影響研究[J].巖土力學(xué),2010,31（4）:1283-1288.

[11]陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社，2008.

[12]劉波,韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南[M].人民交通出版社，2005：3-4.

[13]王東棟.基于ANSYS的泄洪洞出口閘室三維有限元分析[D].河海大學(xué),2006.

[14] 中華人民共和國水利部.GB50487-2008水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2009:103-108.

[15]尚曉紅，邱峰，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2006:355-370.

U45

A

1004-5716（2016）11-0185-04

2015-12-22

2015-12-23

張冬冬（1989-），男（漢族），山東巨野人，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：工程地質(zhì)。