加固措施對(duì)富水?dāng)鄬悠扑閹矶磭鷰r穩(wěn)定的影響研究

王 猛，蘇衛(wèi)強(qiáng)，呂 苑，米艷芳，周家文

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院， 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610065；2.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 云南 昆明 650021)

水在巖體中流動(dòng)會(huì)改變巖體的原始應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)巖體應(yīng)力狀態(tài)的變化又會(huì)影響巖體中水的流動(dòng)特性，裂隙巖體中的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)之間的相互影響稱(chēng)為滲流-應(yīng)力耦合作用，其主要表現(xiàn)為以下兩方面：一是當(dāng)裂隙巖體中有滲流發(fā)生時(shí)，地下水滲流在裂隙巖體中引起的滲流作用力將改變巖體中原始存在的應(yīng)力狀態(tài)；二是裂隙巖體中應(yīng)力狀態(tài)的改變，又將引起巖體結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而改變裂隙巖體的滲透性能，使裂隙巖體中地下水滲流場(chǎng)隨之變化。當(dāng)有滲流發(fā)生時(shí)，這兩方面的相互作用將通過(guò)反復(fù)耦合而達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)[1-2]。

滇中引水工程是云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，其引水自金沙江虎跳峽以上河段，以解決滇中地區(qū)嚴(yán)重的缺水問(wèn)題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。輸水總干渠全長(zhǎng)661.07 km，全線(xiàn)劃分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪紅河共5段。其中，大理Ⅱ段輸水渠道地下水環(huán)境復(fù)雜，多條隧洞穿過(guò)巖溶水系統(tǒng)，斷層裂隙發(fā)育，夾雜溶蝕破碎帶，且外水壓力較高，水頭最高可達(dá)500 m以上。不良的水文地質(zhì)條件在滲流-應(yīng)力耦合作用下，極易導(dǎo)致洞室圍巖的變形和破壞。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者做了諸多研究。陳衛(wèi)忠等[3]和劉仲秋等[4]在對(duì)錦屏二級(jí)水電站引水隧洞圍巖和襯砌的受力和變形特征進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，考慮了滲透系數(shù)和孔隙度的動(dòng)態(tài)演化。張繼勛等[5]通過(guò)計(jì)算提出了在隧洞開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)對(duì)滲流場(chǎng)的影響處于主要地位，而滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響處于次要地位。針對(duì)加固措施對(duì)于洞室穩(wěn)定性的作用，嚴(yán)露等[6-13]眾多學(xué)者也做了一系列的研究?？v觀眾多研究成果，可以看出處于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中的不在少數(shù)，其中多以高埋深、高水頭為水文地質(zhì)特點(diǎn)[14-17]，而鮮有穿越斷層破碎帶的工程實(shí)例。實(shí)際上，處于巖溶地區(qū)斷層破碎帶的地下洞室不僅結(jié)構(gòu)上不利，而且襯砌外水壓力及涌水量較大，圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題尤為突出，而目前此類(lèi)探究還有待進(jìn)一步深入。

本文即針對(duì)巖溶地區(qū)斷層破碎帶這一獨(dú)特地質(zhì)環(huán)境，應(yīng)用滲流-應(yīng)力耦合的原理，對(duì)地下洞室在采取支護(hù)措施后的穩(wěn)定性問(wèn)題展開(kāi)了比較研究。

1 計(jì)算模型

ABAQUS作為當(dāng)前國(guó)際上最先進(jìn)的大型通用有限元軟件之一，能夠提供豐富的單元類(lèi)型和復(fù)雜的荷載及邊界條件。其中包含的Pore Fluid/Stress單元，可以進(jìn)行如固結(jié)、滲流等的飽和及非飽和巖土體中流體的滲透-應(yīng)力耦合分析，能夠滿(mǎn)足本工程的計(jì)算需求。

本文計(jì)算斷面選自大理Ⅱ段海東隧洞，樁號(hào)為DLⅡ5+987。該斷面埋深323 m，水頭為135 m，位于分段樁號(hào)DLⅡ5+000—DLⅡ6+000，巖石主要為裂隙性溶蝕風(fēng)化下帶白云質(zhì)灰?guī)r，其中較完整段(Kv=0.55～0.65)占90%，溶蝕破碎帶(Kv=0.1～0.3)占10%。灰?guī)r透水性較強(qiáng)，滲透系數(shù)可達(dá)1.0 m/d，溶蝕破碎帶溶隙極發(fā)育，結(jié)構(gòu)面張開(kāi)大于5 mm，延伸好，隙面平直粗糙，多泥質(zhì)充填。地質(zhì)剖面圖顯示，有一斷層破碎帶穿越該洞段(見(jiàn)圖1)，受其影響，斷面襯砌外水壓力及涌水量均較大。針對(duì)該工況，需采取“堵水限排”的原則對(duì)圍巖進(jìn)行注漿堵水，同時(shí)在襯砌設(shè)置排水孔進(jìn)行排水。因此，本文將研究采用不同堵水排水措施時(shí)洞室圍巖及襯砌的應(yīng)力變形規(guī)律。

圖1引水隧洞縱剖面圖

計(jì)算范圍取10倍洞徑，即為106.6 m×106.6 m的二維模型。計(jì)算采用Pore Fluid/Stress單元，選取洞室無(wú)襯砌、洞室有襯砌但無(wú)注漿圈和洞室有襯砌且有注漿圈三種工況，三種工況下依次劃分為2 472、1 815和1 925個(gè)四邊形單元。由圖1可見(jiàn)，計(jì)算斷面隧洞上部為斷層破碎帶，下部為白云質(zhì)灰?guī)r，在模型中亦是如此(見(jiàn)圖2)，且這兩個(gè)部分各自被賦予了不同的材料參數(shù)(見(jiàn)表1)。對(duì)于襯砌排水孔的效果，可采用等效滲透系數(shù)的方式，將襯砌滲透系數(shù)增大至5×10-7m/s，即可等效為排水孔排水。巖體材料采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，其他力學(xué)參數(shù)參見(jiàn)表1、表2。

圖2 模型網(wǎng)格圖(有襯砌有注漿圈工況)

表2 工程材料力學(xué)參數(shù)

而后施加邊界條件。在模型左右邊界施加x方向的位移約束，底部邊界施加y方向的位移約束，上邊界為自由面；在上邊界施加上部巖體的壓力作用，整個(gè)模型受重力和側(cè)向構(gòu)造應(yīng)力作用；在上下邊界分別施加地下水作用水頭，上邊界水頭為87 m，下邊界水頭為193.6 m；襯砌內(nèi)表面為自由透水面，孔隙水壓力為零。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 襯砌對(duì)圍巖的影響

襯砌對(duì)圍巖的影響見(jiàn)圖3、表3。由計(jì)算結(jié)果圖3顯示，在無(wú)襯砌工況下，圍巖的最大拉應(yīng)力為2.96 MPa，位于洞室底板偏左處，最大壓應(yīng)力為38.65 MPa，位于洞室右拱腳，應(yīng)力數(shù)值整體較大；施作襯砌之后，圍巖拉應(yīng)力消失，全部為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力減至20.8 MPa，位于頂拱偏右位置。由于巖石為典型的脆性材料，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，故拉應(yīng)力的消失有利于圍巖的穩(wěn)定?？梢?jiàn)，襯砌使得圍巖拉應(yīng)力消失、壓應(yīng)力減小，對(duì)于改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)起了重要作用。

洞室開(kāi)挖之后，頂拱和底板以豎直方向的位移為主，而左右邊墻的位移主要沿水平方向，圍巖變形表現(xiàn)為邊墻內(nèi)擠、頂拱下沉、底板上鼓。無(wú)襯砌時(shí)，圍巖水平方向最大位移為21.17 mm，位于左邊墻，右邊墻位移為21.13 mm；豎直方向最大位移為13.85 mm，位于頂拱，底板向上的位移為10.9 mm。施作襯砌之后，左邊墻位移減至13.05 mm，右邊墻位移減至14.02 mm；豎直方向上，頂拱位移減至1.83 mm，底板位移減至9.82 mm。可見(jiàn)，無(wú)論是水平方向位移還是頂拱的位移均有大幅度的降低，反映出襯砌支護(hù)在一定程度上可以約束圍巖，減小圍巖變形。

圖3圍巖應(yīng)力分布云圖

表3 施作襯砌前后圍巖應(yīng)力變形統(tǒng)計(jì)表

由表3可以直觀看到，無(wú)襯砌時(shí)，洞室圍巖的最大應(yīng)力已超過(guò)其強(qiáng)度極限，圍巖有局部破壞的風(fēng)險(xiǎn)；在施作襯砌之后，圍巖的拉應(yīng)力消失，壓應(yīng)力減小，應(yīng)力重回安全的范圍之內(nèi)。而此時(shí)襯砌的最大拉應(yīng)力為3.52 MPa，最大壓應(yīng)力為47.5 MPa，即襯砌為圍巖分擔(dān)了一部分荷載，使得圍巖應(yīng)力水平降低，變形減小，從而提高了圍巖的穩(wěn)定性，“犧牲”自己來(lái)保護(hù)圍巖。

2.2 注漿圈對(duì)圍巖和襯砌的影響

上文的工況中襯砌使圍巖“轉(zhuǎn)危為安”，但襯砌“自身難保”，其本身的應(yīng)力數(shù)值較大，已超出混凝土強(qiáng)度極限，破壞不可避免，因此本節(jié)采用圍巖注漿來(lái)保護(hù)襯砌。由計(jì)算結(jié)果顯示，對(duì)圍巖進(jìn)行注漿之后，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)與只有襯砌支護(hù)而未注漿時(shí)差別不大(無(wú)拉應(yīng)力產(chǎn)生，最大壓應(yīng)力為24.7 MPa，位于頂拱位置)，但襯砌應(yīng)力有顯著降低。襯砌的最大拉應(yīng)力自未注漿時(shí)的3.52 MPa減至2.26 MPa，最大壓應(yīng)力自47.5 MPa減至33.08 MPa，且最大應(yīng)力的位置與未注漿時(shí)相同。這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)圍巖注漿，巖層中的裂隙尤其是破碎帶被漿液充填，漿液固化之后形成了巖塊之間的膠結(jié)材料， 提高了圍巖的整體性和自穩(wěn)能力，從而減小了作用在襯砌上的荷載，一定程度上起到了保護(hù)襯砌的作用。變形方面，圍巖變形趨勢(shì)依然為邊墻內(nèi)擠、頂拱下沉、底板上鼓，左右邊墻的水平位移分別減至5.2 mm和5.16 mm；豎直方向上，頂拱位移減至1 mm，底板位移減至7.74 mm。整體變形較小。由于注漿圈降低了襯砌的應(yīng)力，因此襯砌變形較未注漿明顯減小，這體現(xiàn)了注漿圈約束圍巖、減小圍巖變形的作用。圍巖注漿之后，襯砌的應(yīng)力基本已能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，局部應(yīng)力較大處可考慮加配鋼筋。表4為圍巖注漿前后襯砌應(yīng)力和圍巖變形的數(shù)值對(duì)比。由表4可見(jiàn)，對(duì)于處于斷層破碎帶且水頭較高的洞段，對(duì)圍巖進(jìn)行注漿十分必要。

表4 圍巖注漿前后應(yīng)力變形統(tǒng)計(jì)表

2.3 三種工況下的孔隙水壓力分析

在隧洞開(kāi)挖之前，地下水為平衡狀態(tài)，孔隙水壓力表現(xiàn)為與靜水壓力相同的等值線(xiàn)分布。隧洞開(kāi)挖之后，由于巖體的爆破以及卸荷作用，將會(huì)在臨空面附近產(chǎn)生新的裂隙，這些裂隙可能會(huì)使原有的非貫通裂隙連通，形成新的水流通道，從而改變巖體中的地下水滲流場(chǎng)[18]。如圖4(a)所示，孔隙水壓力沿隧洞輪廓呈環(huán)形帶狀分布，且越靠近開(kāi)挖臨空面，孔隙水壓力的變化梯度越大。此外，對(duì)比圍巖應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)挖造成孔隙水壓力擾動(dòng)的范圍要大于應(yīng)力擾動(dòng)范圍。

施作襯砌之后，地下水滲流場(chǎng)又有顯著變化，見(jiàn)圖4(b)。圍巖孔隙水壓力整體下降，其等值線(xiàn)圖呈漏斗狀，而且孔隙水壓力在靠近臨空面處下降明顯，在遠(yuǎn)離臨空面處變化幅度較小。滲流對(duì)巖體應(yīng)力狀態(tài)的影響是通過(guò)施加裂隙壁上的法向滲透壓力(面力)和切向拖曳力(面力)而影響巖體的應(yīng)力分布[19]，因此施作襯砌之后形成的新的孔隙水壓力區(qū)導(dǎo)致了巖體的應(yīng)力重新分布，從而使得圍巖拉應(yīng)力消失、壓應(yīng)力減小。而襯砌排水時(shí)孔隙水壓力下降梯度較大、涌水量較大，經(jīng)歷滲流-應(yīng)力耦合的動(dòng)態(tài)過(guò)程后，應(yīng)力在襯砌上積聚，從而出現(xiàn)了襯砌整體應(yīng)力較大的結(jié)果。

對(duì)圍巖進(jìn)行注漿之后，孔隙水壓力分布如圖4(c)所示，在遠(yuǎn)離臨空面處孔隙水壓力等值線(xiàn)近似平行，而在靠近臨空面處等值線(xiàn)呈環(huán)形分布。對(duì)比襯砌的外水壓力可知，未注漿時(shí)襯砌最大外水壓力為0.84 MPa，注漿之后最大外水壓力為0.32 MPa。可見(jiàn)，注漿圈起到了很好的隔絕作用，注漿圈封堵了地下水的滲流通道，減小了涌水量，使得注漿圈外的區(qū)域孔隙水壓力與未開(kāi)挖時(shí)變化不大，而注漿圈內(nèi)的孔隙水壓力急劇減小，襯砌的外水壓力也隨之減小，達(dá)到了保護(hù)襯砌的效果。

圖4孔隙水壓力分布云圖

為更直觀展現(xiàn)孔隙水壓力分布，設(shè)隧洞頂拱為A點(diǎn)，模型上邊界中點(diǎn)為B點(diǎn)，取三種工況下直線(xiàn)AB上的孔隙水壓力數(shù)值作函數(shù)曲線(xiàn)，如圖5所示。若開(kāi)挖后未采用支護(hù)措施，孔隙水壓力沿AB方向較均勻的降低，變化率緩緩遞增。施作襯砌之后，孔隙水壓力在襯砌外區(qū)域變化極小，而在襯砌內(nèi)部驟減。注漿工況的孔隙水壓力曲線(xiàn)在注漿圈之外與未開(kāi)挖工況相似，近似為遞增的直線(xiàn)，進(jìn)入注漿圈之后孔隙水壓力驟減，表現(xiàn)為折線(xiàn)的形態(tài)。但此時(shí)襯砌內(nèi)部孔隙水壓力的數(shù)值和變化率均小于無(wú)注漿圈工況，印證了該工況下襯砌應(yīng)力小于無(wú)注漿工況的結(jié)論?？梢?jiàn)，在襯砌上較大的孔隙水壓力變化率往往伴隨著較大的應(yīng)力，這是滲流-應(yīng)力耦合作用的結(jié)果。

圖5直線(xiàn)AB上孔隙水壓力分布圖

3 結(jié) 論

(1) 隧洞在施作襯砌之后，圍巖拉應(yīng)力和壓應(yīng)力明顯減小，且均未達(dá)到破壞極限；圍巖變形空間分布規(guī)律與未襯砌相似，但位移減小明顯。可見(jiàn)，襯砌對(duì)于改善洞室圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、減小圍巖變形具有積極作用。

(2) 圍巖進(jìn)行注漿后，襯砌的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力以及洞室圍巖水平、豎向最大位移均減小，說(shuō)明注漿圈的形成不但改善了圍巖的力學(xué)性質(zhì)、提高了圍巖的整體性和自穩(wěn)能力，而且降低了襯砌的應(yīng)力水平、保護(hù)了襯砌。因此針對(duì)巖溶地區(qū)斷層破碎帶這一獨(dú)特地質(zhì)條件，對(duì)圍巖進(jìn)行注漿十分必要。

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