蘇阿皮蒂軟硬交替復(fù)合平洞頂板巖體變形破壞分析

楊金林 符新閣

蘇阿皮蒂（Souapiti）水電站[1]位于幾內(nèi)亞的西部，是KONKOURE河梯級開發(fā)中非常重要的一個梯級電站。該電站設(shè)計校核洪水位213.56 m，正常蓄水位210 m，壩頂高程215.5 m，壩頂長度1 164 m，最大壩高120 m，正常蓄水位對應(yīng)庫容約63.17億m3，為大（1）型水庫，是目前西非在建的最大水電工程。

壩址樞紐區(qū)兩岸地層巖性為奧陶系（OMss）近水平狀薄層狀砂巖和薄層狀泥質(zhì)粉砂巖，砂巖為相對較堅硬巖，泥質(zhì)粉砂巖為軟巖。泥質(zhì)粉砂巖具有遇水軟化，失水收縮等特征。對于位于軟硬交替復(fù)合巖體中的平洞，頂板巖體的變形破壞方式直接影響著平洞的支護(hù)體系的選擇及其穩(wěn)定性，鑒于層狀巖體平洞圍巖受載變化過程復(fù)雜，頂板會出現(xiàn)一次或多次離層運動，其變形破壞特征較一般的巖體也有區(qū)別。軟硬交替復(fù)合層狀巖體變形破壞特征也不能用傳統(tǒng)的巖石力學(xué)理論進(jìn)行解釋。為此，本文結(jié)合現(xiàn)場開挖情況，采用理論分析和數(shù)值模擬方法，對層狀軟硬交替復(fù)合巖體開挖后變形破壞特征進(jìn)行分析，得出了一些有益的結(jié)論，結(jié)論可為軟硬交替復(fù)合頂板平洞支護(hù)提供一些有益的指導(dǎo)。

1 平洞頂板地層巖性物理力學(xué)性質(zhì)

蘇阿皮蒂平洞埋深約11.6 m，形狀為近正方形，頂部巖體為泥質(zhì)粉砂巖和砂巖軟硬交替巖體，其泥質(zhì)粉砂巖和砂巖分布厚度見表1。

表1 平洞頂板巖層物理力學(xué)參數(shù)

2 巖體變形破壞理論分析

軟硬交替層狀巖體可以看成是由一系列組合板構(gòu)成的整體，其變形也假設(shè)為多組組合的彎曲變形。當(dāng)多組組合板擾度一致時，巖層不會出現(xiàn)離層現(xiàn)象，當(dāng)組合板撓度不一致時，巖層與巖層之間出現(xiàn)離層，層間出現(xiàn)孔隙，出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。撓度的出現(xiàn)與巖石的彈性模量、厚度、重度有著密切的關(guān)系。根據(jù)組合梁原理，組合板中第n層對第1層形成的荷載qn，1為：

當(dāng)組合板間出現(xiàn)離層是，必須滿足qn,1＞qn+1,1，即：

化簡得：

砂巖的彈性模量遠(yuǎn)大于泥質(zhì)粉砂巖的彈性模量，假設(shè)當(dāng)平洞上部硬巖層破壞后，軟巖也隨著破壞。平洞冒落帶高度一般為2～3倍開挖直徑，平洞直徑約2.5 m。按照2倍洞徑計算，平洞頂層巖體的高度從10層開始算起。

第10層，由公式（2）計算得：

左式＞右式，4層與6層出現(xiàn)層理現(xiàn)象。

同理：第12層，

左式＞右式，12層與10層出現(xiàn)離層現(xiàn)象。

同理：第14層，

左式<右式：第12層與第14層未出現(xiàn)離層現(xiàn)象，即12和14層組成第1個支撐層，支護(hù)體系所受荷載主要來源于其下巖層荷載，即蘇阿皮蒂平硐頂板支護(hù)厚度至少應(yīng)為

3 巖體變形破壞數(shù)值模擬分析

3.1 離散元模型

三維離散元軟件分析（3DEC）計算模型如圖1所示。平洞形狀為近正方型，尺寸2.5 m×2.5 m。

圖1 離散元計算模型

模型邊界x、y方向采用位移約束，z方向底部采用位移約束，頂部覆蓋層厚度約5.0 m，采用等效荷載85.5 kPa（γ=17.1 kN/m3）作用于z方向基覆邊界。對巖體采用M-C強度準(zhǔn)則作為屈服準(zhǔn)則，對于巖體層理彈性模型，屈服準(zhǔn)則為Coulomb滑動準(zhǔn)則。

3.2 巖體物理力學(xué)指標(biāo)

模型中巖層的剪切模量、體積模量按下式確定：

層理面（結(jié)構(gòu)面）的法向剛度、剪切剛度，其數(shù)值按下式進(jìn)行估算：

式中Ks、Kn——分別為節(jié)理法向、切向剛度，GPa/m；

Em、Er——分別為連續(xù)介質(zhì)的彈性模量、巖石的彈性模量，GPa/m；

Gm、Gr——分別為連續(xù)介質(zhì)巖體的剪切模量、巖石的剪切模量，GPa/m；

S——巖體主要結(jié)構(gòu)面的平均間距，m。

上式公式的應(yīng)用需要考慮到結(jié)構(gòu)面的充填物質(zhì)對其結(jié)構(gòu)面強度指標(biāo)的弱化作用，結(jié)合公式并結(jié)合室內(nèi)試驗成果，選取泥質(zhì)粉砂巖Ks=0.220×108GPa/m，Kn=0.132×108GPa/m；砂巖Ks=1.200×109GPa/m，Kn=0.820×109GPa/m，其它物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3.3 模擬結(jié)果分析

模型采用先加載后開挖以模擬開挖后平洞周邊位移場、應(yīng)力場、塑性區(qū)的變化規(guī)律。

圖2為平洞開挖前位移矢量圖。由圖2可知，模型經(jīng)過3 000迭代步數(shù)運行后，監(jiān)測的最大不平衡力和位移矢量達(dá)到平衡狀態(tài)，表明構(gòu)建的數(shù)值分析模型達(dá)到平衡狀態(tài)，初始應(yīng)力賦存狀態(tài)已經(jīng)完成。

圖2 平洞開挖前位移矢量圖

圖3為平洞開挖后位移矢量影響區(qū)。圖3可知，水平軟硬交替復(fù)合頂板平洞的變形主要出現(xiàn)在頂板和底板，最大變形出現(xiàn)在頂板，而兩幫變形較小，塑性區(qū)也呈現(xiàn)同樣的破壞規(guī)律，分析原因為：一是離散元軟件充分考慮到巖層的彎曲變形和破壞特點，二是離散元軟件充分考慮了層理面對平洞圍巖穩(wěn)定性和承載能力的影響。圖3中平洞頂板位移場矢量圖影響最大范圍為4.97 m，相比板梁理論支護(hù)厚度的4.5 m，誤差率為10.4%。

圖3 平洞開挖后位移矢量影響區(qū)

圖4為平洞開挖后塑性分布圖。圖4表明平洞頂板破壞以剪切和拉伸為主，底板以剪切為主。平洞開挖后形成的塑性區(qū)具有明顯的隔層破壞特征。由于軟硬交替復(fù)合巖體中，頂板硬巖彈性模型遠(yuǎn)大于軟巖彈性模量，硬巖變形較小，軟巖變形較大，硬巖為平洞的支撐層，若硬巖層破壞后，軟巖也隨著破壞。根據(jù)塑性分布圖，泥質(zhì)粉砂巖破壞位置為平洞頂4.5 m，為洞頂?shù)?1層泥質(zhì)粉砂巖，與板梁理論確定的支護(hù)厚度一致。

圖4 平洞開挖后塑性分布圖

4 結(jié)語

（1）蘇阿皮蒂水電站水平軟硬交替復(fù)合頂板平洞的變形主要出現(xiàn)在平洞頂板和底板，最大變形出現(xiàn)在頂板，而兩幫變形較小，說明層理面對平洞圍巖穩(wěn)定性和承載能力影響較大。

（2）平洞軟硬交替復(fù)合頂板巖體存在離層現(xiàn)象，離層以下巖體即是平洞需要支護(hù)的荷載影響圈。

（3）根據(jù)梁板理論計算荷載圈為4.5 m，梁板理論確定厚度與數(shù)值模擬位移場確定厚度誤差率為10.4%，與塑性區(qū)確定厚度一致。