順向高邊坡及偏壓隧洞開(kāi)挖穩(wěn)定性研究

楊發(fā)棟

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

水利樞紐工程中，順向高邊坡及偏壓隧洞的開(kāi)挖、支護(hù)，是根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，利用數(shù)字模擬軟件以及建模分析的方式，加載工程各項(xiàng)參數(shù)，呈現(xiàn)工程施工的發(fā)展趨勢(shì)，為水利工程的施工、管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。在大型順向高邊坡、偏壓隧洞的開(kāi)挖施工中，缺乏偏壓特性、地質(zhì)屬性以及施工的時(shí)效性等研究資料時(shí)，應(yīng)在現(xiàn)有相關(guān)的資料基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際的施工經(jīng)驗(yàn)，建立有限元模型，進(jìn)行工程巖土材料的時(shí)效性分析。

1 工程概況

某水庫(kù)為大型低壩水利樞紐工程，水庫(kù)主要以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧發(fā)電、航運(yùn)及防洪；工程區(qū)位于河道夾角的峽谷處，山勢(shì)陡峭，水庫(kù)總庫(kù)容為15.1 億m3，校核庫(kù)容為1.05 億m3，正常蓄水位為313 m；1 號(hào)泄洪洞出口段為一級(jí)邊坡，施工區(qū)域地質(zhì)斷裂帶較多，1 號(hào)泄洪洞修筑開(kāi)挖尺寸15 m×15 m，出口段與放空洞的凈距為19.1 m。工程區(qū)域巖層為泥盆系下統(tǒng)D1，整體為單斜巖層構(gòu)造，其中1 號(hào)泄洪洞出口段320°∠26°，隧洞修筑線路與巖層的走向夾角為50°～70°。工程區(qū)域有三個(gè)與隧洞斜切的斷層，均為東北走向，破碎帶的寬度在1.0～1.5 m，類型為碎裂巖系的斷層角礫巖、未固結(jié)或弱固結(jié)的泥狀巖石等，其巖石結(jié)構(gòu)極為松散，具有透水性強(qiáng)等特點(diǎn)；工程區(qū)域地下水含量較大，多為軟塑粘性土。

1 號(hào)泄洪洞出口段，主要為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，右側(cè)邊坡深度在50 m 以上，巖層變化情況極為復(fù)雜，部分區(qū)域呈現(xiàn)較大的傾斜角度，不具備施工條件，1 號(hào)泄洪洞出口段工程地質(zhì)情況如圖1 所示。

圖1 1 號(hào)泄洪洞出口段工程地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)勘探的結(jié)果顯示，本次工程區(qū)域的地質(zhì)斷層主要為F6，F(xiàn)244，F(xiàn)243 等，此區(qū)域裂隙破碎帶軟弱夾層較多，屬于中等透水性能，地下水折減系數(shù)0.5～0.7。其中，D16主要由紫紅色厚石英砂巖層、砂巖夾泥巖、含礫石英砂巖、細(xì)砂巖和粉砂巖構(gòu)成；D15主要由雜色厚層狀含礫粗粒石英砂巖與紫紅色、石英巖狀砂巖夾薄層構(gòu)成。

2 模型分析

2.1 計(jì)算方法

本次研究采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)計(jì)算模型以及彈塑性力學(xué)作為本次研究的基礎(chǔ)，對(duì)巖土材料變形程度進(jìn)行分析，使用C-M 準(zhǔn)則以及流動(dòng)法則進(jìn)行巖土材料的粘彈性應(yīng)力、形變，以及工程開(kāi)挖支護(hù)的建模分析。

C-M 準(zhǔn)則對(duì)巖土材料的粘彈性應(yīng)力表示為：

式中：τf——巖土材料的抗剪強(qiáng)度值；

c——巖土材料的粘聚力；

σn——巖土材料的正應(yīng)力值；

φ——巖土材料內(nèi)摩擦角度。

在忽略巖土材料的強(qiáng)化作用下，假設(shè)發(fā)生屈服產(chǎn)生無(wú)法變形時(shí)，開(kāi)挖釋放荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力變形，均可作為粘性、非粘性變形，計(jì)算公式：

式中：δ——全部荷載釋放后形成的位移；

δuv——開(kāi)挖形成的瞬間位移（非粘性變形）；

δv——開(kāi)挖過(guò)程中因持續(xù)變形而產(chǎn)生的位移（粘性變形）；

F——巖土材料所有荷載；

Fuv——非粘性變形的荷載值；

Fv——粘性變形的荷載值；

α——荷載瞬間釋放的因子。

釋放荷載的計(jì)算過(guò)程，是將粘性、彈塑性荷載作為節(jié)點(diǎn)力，施加于開(kāi)挖節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行迭代求解，計(jì)算出開(kāi)挖瞬間變形的非粘性彈塑性荷載值；消除施加在開(kāi)挖節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力后，添加支護(hù)參數(shù)，求出巖土材料在支護(hù)作用下產(chǎn)生的粘性變形增量。

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)工程地質(zhì)條件及施工方案，建立施工區(qū)域的地形、巖層結(jié)構(gòu)、邊坡、1 號(hào)泄洪洞以及放空洞等模型，網(wǎng)格模式如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格模式圖

2.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)本工程的地質(zhì)參數(shù)及施工經(jīng)驗(yàn)，完成數(shù)值模擬計(jì)算。由于彈塑性作用受地下水的影響較大，以往同類工程地下水的折減系數(shù)取0.7～0.9，參考到本次工程的地質(zhì)參數(shù)，最終確定本次地下水折減系數(shù)為0.5～0.7[2]，本工程各基巖物理學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 基巖物理學(xué)參數(shù)

3 研究結(jié)果分析

工程相鄰放空洞的貫通區(qū)，未發(fā)生明顯塑性屈服區(qū)。假設(shè)巖土材料為理想的彈塑性體，在施工中瞬間非粘性變形荷載將得到釋放，而粘性變形的荷載則是隨著施工的過(guò)程逐漸釋放。荷載瞬間釋放因子，根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果及同類工程經(jīng)驗(yàn)，取0.8。

3.1 開(kāi)挖施工中邊坡應(yīng)力分析

結(jié)合基巖物理學(xué)參數(shù)，對(duì)邊坡初始應(yīng)力進(jìn)行模擬分布，發(fā)現(xiàn)工程邊坡中的應(yīng)力值較低，模擬計(jì)算中的最大數(shù)值為2.8 MPa。以計(jì)算出的初始應(yīng)力值為基礎(chǔ)，使用邊坡有限元抗剪強(qiáng)度折減法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能評(píng)估，獲得邊坡的安全系數(shù)為1.58。根據(jù)邊坡剪切應(yīng)變?cè)隽繄D顯示，應(yīng)力分布情況受地質(zhì)斷層的顯著影響，其中較大的潛在滑動(dòng)面處于施工區(qū)域高程的260 m與邊坡的底部。

在邊坡開(kāi)挖施工中所發(fā)生的重力分布轉(zhuǎn)移，將會(huì)在表面引起拉應(yīng)力，對(duì)施工區(qū)域局部的穩(wěn)定性造成波動(dòng)。邊坡開(kāi)挖施工時(shí)，臨近洞口部高程為230 m 的區(qū)域出現(xiàn)了大幅度的變形。因此，對(duì)該區(qū)域布置監(jiān)控點(diǎn)，以獲得地層位移的變化情況。放空洞、1 號(hào)泄洪洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布如圖3 所示。

模型中監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，該區(qū)域中最大的位移變化為14.5 mm，施工中產(chǎn)生的荷載釋放，將導(dǎo)致邊坡前表層位移及塌陷，整體變形程度較為顯著，因此需要對(duì)邊坡進(jìn)行有效的支護(hù)加固處理。監(jiān)控點(diǎn)模擬位移增量如圖4[3]所示。

3.2 偏壓隧洞開(kāi)挖支護(hù)措施

由于1 號(hào)泄洪洞的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因此使用管棚預(yù)支護(hù)進(jìn)行處理，以最大限度地優(yōu)化支護(hù)段的支護(hù)強(qiáng)度，在開(kāi)挖施工后對(duì)偏壓出口發(fā)生位移段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各個(gè)監(jiān)控樁位的位移均朝向泄洪洞洞口方向，在使用管棚預(yù)支護(hù)后，發(fā)生的最大位移距離為4.9 mm。不同樁號(hào)的最大位移距離如表2所示。

圖3 放空洞、1 號(hào)泄洪洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖

圖4 監(jiān)控點(diǎn)模擬位移增量

表2 不同樁號(hào)的最大位移距離 單位：mm

1 號(hào)泄洪洞管棚施工的部分措施為開(kāi)挖后實(shí)施，K0+565—K0+502 之間的區(qū)域?yàn)槲孱悋鷰r，與斷層F6，F(xiàn)243 相切，最大的破碎帶寬度在1.3～5.0 m，并且由斷層角礫巖、未固結(jié)或弱固結(jié)的泥狀巖石構(gòu)成，結(jié)構(gòu)極為松散具有強(qiáng)透水性，穩(wěn)定狀態(tài)較差，巖體的風(fēng)化程度較強(qiáng)，施工中常會(huì)出現(xiàn)破損、巖石脫落的現(xiàn)象，成洞難度較大。在使用管棚預(yù)支護(hù)施工后，仍然出現(xiàn)了最大4.9 mm 的位移，導(dǎo)致泄洪洞的管棚、襯砌發(fā)生局部開(kāi)裂、洞室承載力下降的情況，由于對(duì)結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生了較大的影響，因此，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行穩(wěn)定性的評(píng)估。

本工程中1 號(hào)泄洪洞兩側(cè)山體嚴(yán)重地不對(duì)稱，因此產(chǎn)生了較大的偏壓。為了詳細(xì)地分析偏壓對(duì)泄洪洞支護(hù)的影響，在泄洪洞出口段的邊墻及拱頂位置設(shè)置了三處監(jiān)控點(diǎn)位。發(fā)現(xiàn)此區(qū)域開(kāi)挖時(shí)的瞬時(shí)荷載釋放所產(chǎn)生的位移增加較大，模擬計(jì)算的結(jié)果與工程的實(shí)際監(jiān)測(cè)資料的發(fā)展趨勢(shì)相一致。說(shuō)明運(yùn)用本研究方法，能夠有效地模擬工程施工過(guò)程情況，避免應(yīng)用彈塑性力學(xué)理論進(jìn)行工程開(kāi)挖模擬時(shí)，瞬時(shí)彈性變形增量，造成后期加固支護(hù)措施未能發(fā)揮作用的情況[4]。出口段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移增量如圖5 所示。

圖5 出口段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移增量

根據(jù)上圖顯示，邊墻兩側(cè)監(jiān)控點(diǎn)位的最大位移增量為2.0 mm、0.2 mm，數(shù)值相差顯著，原因是山體偏壓效應(yīng)致使管棚出現(xiàn)受力不均，根據(jù)進(jìn)一步監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在山體較高側(cè)的管棚拱腳最大應(yīng)力為6.1 MPa，較低側(cè)的管棚拱腳最大應(yīng)力為1.0 MPa，監(jiān)控點(diǎn)斷面的應(yīng)力情況均呈現(xiàn)內(nèi)大外小，具有明顯的偏壓狀態(tài)。導(dǎo)致圍巖由內(nèi)向外偏移，內(nèi)側(cè)最大位移增量為2.0 mm，說(shuō)明構(gòu)造偏壓對(duì)洞室穩(wěn)定會(huì)造成較大的影響[5]。放空洞、1 號(hào)泄洪洞夾層的層狀巖體結(jié)構(gòu)，在四類圍巖地層中能夠產(chǎn)生較大的發(fā)展。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)工程區(qū)域在增量、應(yīng)力及塑性區(qū)三個(gè)方面的研究發(fā)現(xiàn)，使用工程中制定的支護(hù)方案實(shí)施隧洞施工，將會(huì)造成失穩(wěn)的可能性，并且在地下水因素的作用下，將會(huì)增加失穩(wěn)的程度，因此，需要改善、強(qiáng)化當(dāng)前的支護(hù)方案，避免隧洞邊壁、邊坡表面出現(xiàn)局部的倒塌、破壞。