滲流一應(yīng)力耦合作用下的臨庫(kù)豎井開(kāi)挖數(shù)值分析

曾祥茜　何文社　王開(kāi)喜

摘要：豎井式地下泵站是引水工程中獲取優(yōu)質(zhì)水源的必要手段，臨庫(kù)豎井特殊的地質(zhì)環(huán)境，成為制約其安全施工的重要因素。針對(duì)臨夏州引黃濟(jì)臨工程豎井式一級(jí)取水泵站，利用FLAC3D有限差分軟件模擬豎井的開(kāi)挖過(guò)程，對(duì)比分析了滲流一應(yīng)力耦合及非耦合作用下豎井應(yīng)力變形規(guī)律。結(jié)果表明，在臨界浸潤(rùn)面處，井壁變形值最大，且井口位移與井底中心回彈量均隨著豎井開(kāi)挖深度增大而增大。滲流一應(yīng)力耦合作用時(shí)，豎井井壁圍巖受力變形均處于較為不利的狀態(tài)，在豎井開(kāi)挖完成時(shí)井底出現(xiàn)應(yīng)力值突變。因此在實(shí)際施工過(guò)程中，考慮滲流一應(yīng)力耦合作用下的豎井變形更為準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：引水工程;臨庫(kù)豎井開(kāi)挖;滲流一應(yīng)力耦合;FLAC3D：數(shù)值分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TV675;TU433

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2019.04.031

豎井式地下泵站是引水工程中獲取深層優(yōu)質(zhì)水源的必要手段。臨近水庫(kù)由于其特殊的地質(zhì)環(huán)境，地下水資源豐富，滲流場(chǎng)十分復(fù)雜，地質(zhì)條件對(duì)豎井開(kāi)挖極為不利。由于豎井開(kāi)挖過(guò)程中動(dòng)力因素的擾動(dòng)，井壁土體的屬性隨著豎井開(kāi)挖過(guò)程中的卸荷作用而逐漸變差，土體的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致圍巖滲透系數(shù)及滲透力的改變，而滲流場(chǎng)的改變將直接影響圍巖結(jié)構(gòu)屬性及物理力學(xué)性能，進(jìn)而改變圍巖結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力平衡狀態(tài)[1-2]，加之復(fù)雜的地質(zhì)條件，極有可能造成管涌、坍塌等后果[3]。本文以臨夏州引黃濟(jì)臨工程為例，取其一級(jí)取水泵站豎井為研究對(duì)象，利用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行施工過(guò)程的三維數(shù)值模擬[4-6].基于耦合與非耦合兩種計(jì)算模式，對(duì)比分析豎井施工過(guò)程中位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律[7-8].研究滲流一應(yīng)力耦合作用對(duì)豎井圍巖受力變形的影響，以此為工程實(shí)際施工提供相應(yīng)借鑒。

1 工程概況

1.1 泵站結(jié)構(gòu)

臨夏州引黃濟(jì)臨工程一級(jí)取水泵站位于劉家峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)，為臨庫(kù)正向取水。廠區(qū)主要由引水暗涵、進(jìn)水閘室、進(jìn)水前池、主泵室、副廠房、安裝間、臨庫(kù)側(cè)護(hù)岸等組成。泵站主廠房為圓形豎井結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑25.00 m，壁墻厚度2. 00 m，深28. 30 m。廠區(qū)開(kāi)挖地坪高程1 738.65 m.主泵室井底開(kāi)挖高程1 710.35 m。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及水文條件

該取水樞紐位于劉家峽水庫(kù)南岸蓮花碼頭東南處，施工期間，水庫(kù)水位為1 715.35 m，基坑較深，地下水資源豐富，滲流場(chǎng)較為復(fù)雜，施工期間要確保邊坡穩(wěn)定，合理疏導(dǎo)排水，確保井口土體穩(wěn)定是保證基坑施工安全的重點(diǎn)[9]。根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)勘測(cè)資料及現(xiàn)場(chǎng)勘察，泵站主泵室高程1 738.65 m至1 724.00 m為堅(jiān)質(zhì)黏土夾雜礫石，屬第四系全新統(tǒng)滑坡堆積04。標(biāo)高1 724.00 m以下為新近系上統(tǒng)臨夏組砂巖、砂質(zhì)泥巖。廠區(qū)上部堅(jiān)質(zhì)黏土含礫較少，下部含礫并夾有少量泥巖孤石，土體稍密，上部土體較干、下部稍濕。下部基巖為新近系泥巖夾砂巖，巖體透水率為3.69-4.92 Lu，上下部土體透水性均較好。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

為充分反映豎井開(kāi)挖橫斷面相鄰圍巖的變化情況，模型尺寸水平方向（X、Y方向）分別取井口約7倍洞徑，為210 m.豎井開(kāi)挖方向（Z方向）取210 m[10]。開(kāi)挖豎井為直徑29 m，高28 m的圓柱體。

豎井開(kāi)挖過(guò)程會(huì)對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)和孔壓場(chǎng)造成多次擾動(dòng)，應(yīng)力場(chǎng)將多次重分布。本構(gòu)模型選用巖土力學(xué)通用的Mohr- Coulomb模型，圍巖采用實(shí)體單元和理想彈性材料模擬;滲流模式下選用各向同性滲流模型，不考慮土顆粒及流體的可壓縮性。模型的前后、左右邊界為水平約束，下邊界為豎直約束，上邊界為自由邊界。模型的右側(cè)為透水邊界，根據(jù)地勘報(bào)告，在開(kāi)挖15 m處設(shè)置臨界浸潤(rùn)面，水頭自z=-15 m處至模型底部呈線性分布。模型網(wǎng)格劃分剖面如圖1所示。

數(shù)值模擬過(guò)程服從以下設(shè)定[11]：①豎井開(kāi)挖按5m為一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺，分為6個(gè)工步進(jìn)行掘進(jìn);②初始應(yīng)力場(chǎng)由自重場(chǎng)構(gòu)成，且忽略構(gòu)造應(yīng)力：③由于計(jì)算模型為正六面體，且豎井開(kāi)挖斷面呈對(duì)稱(chēng)分布，因此取模型一半進(jìn)行分析。

2.2 物理參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料及現(xiàn)場(chǎng)勘察，豎井標(biāo)高1 738.65 m至1 724.00 m（即模型z=-15 m以上）段為堅(jiān)質(zhì)黏土夾雜礫石，土體較干，屬第四系全新統(tǒng)滑坡堆積02el為Ⅳ類(lèi)圍巖。標(biāo)高1 724.00 m以下（即模型z=-15 m以下）為新近系上統(tǒng)臨夏組砂巖、砂質(zhì)泥巖，土體稍濕，滲透系數(shù)為4. 48×10 cm/s，為V類(lèi)圍巖。其圍巖計(jì)算力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

FLAC3D在分析含有孔隙水壓力的相關(guān)問(wèn)題時(shí)，可根據(jù)是否設(shè)置流體計(jì)算，分為兩種計(jì)算模式[12]：非耦合計(jì)算模式通過(guò)純力學(xué)因素?cái)_動(dòng)來(lái)計(jì)算豎井開(kāi)挖過(guò)程中位移和應(yīng)力的變化規(guī)律.滲流一應(yīng)力耦合計(jì)算模式將考慮流體和力學(xué)相互擾動(dòng)的耦合作用。通過(guò)分析對(duì)比兩種計(jì)算模式下豎井施工過(guò)程中的受力變形情況，得出滲流場(chǎng)對(duì)位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律。

3.1 初始應(yīng)力場(chǎng)和孔壓場(chǎng)

未開(kāi)挖之前地層初始狀態(tài)下的應(yīng)力場(chǎng)和孔壓場(chǎng)云圖如圖2、圖3所示，可以看出，土體的應(yīng)力分層均勻，從上至下應(yīng)力值逐漸增大，最小地表應(yīng)力為0.039 MPa，模型底部的最大應(yīng)力為4.510 MPa。透水邊界的孔隙水壓力呈梯度分布，模型上部孔壓為零，右邊界底部孔隙水壓力最大為1.950 MPa.逐漸向土層滲流并有明顯的滲流路徑，以至達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡。由此可知，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，豎井底部圍巖受力增大，且在含有地下水的施工階段，初始孔壓場(chǎng)將隨著豎井開(kāi)挖進(jìn)行二次分布，地下水也隨著產(chǎn)生的水頭差而大量滲入臨空面。因此，在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)及時(shí)做好初期支護(hù)及防滲、排水工作，預(yù)防圍巖受力較大且受滲流作用影響而屬性變差。

3.2滲流一應(yīng)力耦合及非耦合計(jì)算模式下的位移變化規(guī)律

3.2.1 井壁水平位移分析

圖4、圖5為兩種計(jì)算模式下豎井開(kāi)挖完成時(shí)的水平位移分布云圖。非耦合計(jì)算模式下，豎井在開(kāi)挖至10 m及以下時(shí)，井壁的水平向位移都較大，最大為13.30 mm;滲流一應(yīng)力耦合計(jì)算模式下，其最大水平向位移為20.60 mm，發(fā)生在深度10 m處，10 m以下井壁水平向位移逐漸減小但仍大于非耦合時(shí)。這是由于水庫(kù)的浸潤(rùn)線在開(kāi)挖15 m處，非耦合計(jì)算模式下進(jìn)行第四步（即15 m以下）豎井開(kāi)挖時(shí)考慮井底積水而進(jìn)行抽水，在抽水之后土體發(fā)生固結(jié)，因此位移有減小的趨勢(shì)。相較于非耦合，耦合時(shí)的土體因其卸荷作用與含水后結(jié)構(gòu)屬性變差，井壁土體較為松弛，故水平向位移較大。

圖6為非耦合計(jì)算模式下位移變化曲線，可以看出：開(kāi)挖前Sm時(shí)，井壁位移隨開(kāi)挖深度的增加而減?。涸陂_(kāi)挖5-10 m時(shí)，井壁位移隨開(kāi)挖深度的增大而增大，在開(kāi)挖10 m處位移最大：開(kāi)挖10 m以下時(shí)，井壁位移隨開(kāi)挖深度的增大而減小。

圖7為滲流一應(yīng)力耦合計(jì)算模式下位移變化曲線，可以看出，井口（豎井深度為零）、井壁的位移，均隨開(kāi)挖深度的增大而增大。在開(kāi)挖0-10 m時(shí)，井口的位移范圍僅為1-2 mm.井壁的位移范圍僅有2-4 mm，位移范圍較小;在開(kāi)挖15-20 m時(shí)，井口位移范圍為4-5 mm，由開(kāi)挖20 m的變化曲線可以看出，在豎井深度為10 m處，井壁有最大位移15.13 mm;開(kāi)挖25-29 m時(shí)，井口最大位移為11.35 mm，由開(kāi)挖25 m的變化曲線可以看出，在豎井深度為10 m處，井壁有最大位移18.40 mm。

從圖6、圖7的變化曲線得出，每一施工步的開(kāi)挖都將造成位移場(chǎng)的重分布以至達(dá)到再次平衡。尤其在滲流一應(yīng)力耦合計(jì)算模式下，隨著豎井的不斷開(kāi)挖，井壁的圍巖屬性逐漸變差，進(jìn)而造成井壁的動(dòng)態(tài)變形，在井口處位移突變，在z=-10 m處，有可能造成井壁土體坍塌。在施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)井口及每一次開(kāi)挖后井壁的支護(hù)，以及在z=-10 m處對(duì)土體采取永久支護(hù)和加固措施。

3.2.2 井底豎向位移分析

圖8、圖9為豎井在完成開(kāi)挖后的Z向位移分布云圖，可以看出，滲流一應(yīng)力耦合計(jì)算模式下的豎向位移影響區(qū)域較非耦合時(shí)大。非耦合計(jì)算模式下，豎井開(kāi)挖回彈量最大值在井底中心，最大回彈量為4.68cm;滲流一應(yīng)力耦合計(jì)算模式下，最大回彈量為5.88 cm。在施工過(guò)程中，由于土體的卸荷作用，井底土體回彈而變得松弛，其蠕變也會(huì)導(dǎo)致井底的隆起，在考慮滲流影響的情況下，土體會(huì)吸水膨脹，以及施工時(shí)間的長(zhǎng)短、一次性開(kāi)挖的深度等都會(huì)引起井底回彈量的變化，因此在施工過(guò)程中應(yīng)該考慮上述因素，避免井底回彈量過(guò)大導(dǎo)致不必要的工程災(zāi)害。

圖10為在非耦合和耦合兩種計(jì)算模式下井底中心回彈量隨開(kāi)挖深度變化的曲線圖，可以看出，隨著開(kāi)挖深度的增加，井底的中心回彈量也不斷增大。兩種計(jì)算模式下，開(kāi)挖深度在15 m以上時(shí)，因?yàn)橥馏w被開(kāi)挖的土方量相同，所以井底回彈量相差不大：開(kāi)挖深度在15 m以下時(shí)，由于水庫(kù)滲流的作用，在滲流一應(yīng)力耦合計(jì)算模式下井底的回彈量計(jì)算將考慮土方的自重與水壓力的雙重作用，因此其井底中心的回彈量較非耦合時(shí)大。實(shí)際施工中，應(yīng)及時(shí)處理井底積水，采取必要的排水措施，著重加強(qiáng)對(duì)井壁的永久支護(hù)，以避免造成土體坍塌、管涌等現(xiàn)象。

3.3 滲流一應(yīng)力耦合及非耦合計(jì)算模式下的應(yīng)力變化規(guī)律

圖II-圖14為兩種計(jì)算模式下豎井開(kāi)挖完成時(shí)的第一、第三主應(yīng)力分布云圖，表2為不同開(kāi)挖深度下井壁第一、第三主應(yīng)力最大值，可以看出，在兩種計(jì)算模式下，第一、第三主應(yīng)力均隨開(kāi)挖深度的增大而增大，開(kāi)挖深度小于15 m的施工段不含地下水，因此其應(yīng)力大小基本相近：開(kāi)挖深度大于15 m的施工段含有地下水，考慮滲流場(chǎng)的影響，滲流一應(yīng)力耦合模式下第一、第三主應(yīng)力整體較非耦合時(shí)大。非耦合計(jì)算模式下應(yīng)力變化平穩(wěn)，在完成豎井開(kāi)挖后其第一主應(yīng)力為-0.277 MPa，第三主應(yīng)力為-0.664 MPa;滲流一應(yīng)力耦合計(jì)算模式下，在開(kāi)挖完成后井底出現(xiàn)應(yīng)力突變，其第一主應(yīng)力為-4.800 MPa，第三主應(yīng)力為-5.170 MPa。由此可見(jiàn)，應(yīng)在開(kāi)挖完成時(shí)及時(shí)做好初期支護(hù)，以減小井底回彈量。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)臨庫(kù)豎井開(kāi)挖過(guò)程的受力變形數(shù)值分析，可得到以下結(jié)論：

（1）開(kāi)挖過(guò)程的動(dòng)力因素會(huì)造成土體應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的重分布，然后逐漸達(dá)到穩(wěn)定的滲流一應(yīng)力平衡狀態(tài)，分析得到了豎井開(kāi)挖后的井壁變形形態(tài)及變形值域。

（2）受滲透力與土壓力共同作用，井壁向臨空面的變形隨豎井開(kāi)挖深度的增大而增大。在施工過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)對(duì)豎井的井壁和井口處做好襯砌支護(hù)措施，以保證豎井結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（3）對(duì)比分析兩種不同計(jì)算模式下豎井井口受力變形規(guī)律可知，滲流一應(yīng)力耦合作用下豎井開(kāi)挖的受力變形量較大，故在施工過(guò)程中不可忽視水庫(kù)滲流作用的影響，應(yīng)及時(shí)排水并加強(qiáng)水土分界面的井壁支護(hù)，以避免土體塌陷失穩(wěn)。

（4）滲流一應(yīng)力耦合作用下，圍巖的位移和應(yīng)力變化均處于較為不利的狀態(tài)，為避免井底中心的回彈量過(guò)大，在施工期間可通過(guò)控制豎井的一次性開(kāi)挖量、開(kāi)挖時(shí)間、井底排水等措施保證工程的安全。

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【責(zé)任編輯張帥】