地下水封洞庫(kù)開(kāi)挖特性數(shù)值仿真試驗(yàn)研究

周琦

（浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江杭州 310014）

1 工程概況

福建某地下水封油庫(kù)工程，區(qū)域范圍內(nèi)出露地層主要以晚侏羅系火山巖為主，早白堊系火山沉積巖次之，燕山晚期侵入的中酸性巖漿巖和脈巖分布較廣。工程區(qū)主要以花崗閃長(zhǎng)巖為主。

地下水封洞庫(kù)洞高30m，寬20m，初擬板底高程-110m，洞庫(kù)的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)對(duì)工程項(xiàng)目建設(shè)尤為重要[1-4]，因此本研究利用商用軟件有限差分元FLAC3D對(duì)擬建洞庫(kù)的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析，主要研究洞庫(kù)開(kāi)挖后圍巖的變形和塑性區(qū)分布特征，評(píng)價(jià)圍巖的開(kāi)挖穩(wěn)定性。

2 仿真試驗(yàn)方法

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)擬建洞庫(kù)主洞室設(shè)計(jì)形態(tài)及間距，在庫(kù)址區(qū)垂直主洞室軸線方向選取剖面，構(gòu)建包含不同庫(kù)區(qū)相鄰主洞室的切面模型，主要研究洞庫(kù)開(kāi)挖后圍巖的變形和塑性區(qū)分布規(guī)律。洞庫(kù)高30m，寬20m，間距20m，長(zhǎng)度大于100m；洞庫(kù)底高程-110m，頂高程-80m，布置于微新花崗閃長(zhǎng)巖巖體中。

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖1所示。計(jì)算過(guò)程中，數(shù)值模型左右邊界施加水平法向約束，數(shù)值模型底部邊界施加三向約束，地表面為自由面。同時(shí)，根據(jù)地應(yīng)力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，取水平向最大地應(yīng)力為8.6MPa。

2.2 計(jì)算參數(shù)

仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀筛采w層、全強(qiáng)風(fēng)化巖體、弱風(fēng)化巖體、微新巖體和小斷層等巖土單元組成，各巖土體單元的物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示。

2.3 分析方法

采用FLAC3D對(duì)擬建洞庫(kù)的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析，主要包括以下步驟：

2.3.1 建立數(shù)值模型后，將所有巖土單元的本構(gòu)模型均設(shè)定為理想彈性模型，并根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力生成初始地應(yīng)力場(chǎng)；

2.3.2 將所有巖土單元的本構(gòu)模型均設(shè)定為想彈塑性模型，設(shè)定邊界條件，計(jì)算獲得模型的初始狀態(tài)，并對(duì)模型的變形場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行清場(chǎng)；

圖1 數(shù)值仿真模型示意圖

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算采用值

2.3.3 針對(duì)擬開(kāi)挖的洞庫(kù)開(kāi)展開(kāi)挖仿真試驗(yàn)，計(jì)算獲得開(kāi)挖后整個(gè)數(shù)值模型中巖土體的變形和塑性區(qū)分布，從而對(duì)圍巖的穩(wěn)定性開(kāi)展定量化評(píng)價(jià)。

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果

地下洞庫(kù)開(kāi)挖后總變形云圖和塑性區(qū)分布圖如圖2 和3 所示。計(jì)算結(jié)果表明：開(kāi)挖后總變形量最大值為19.77 mm，發(fā)生在最外側(cè)兩排洞庫(kù)的外側(cè)邊墻。豎直向變形最大值為6.01 mm，變形主要表現(xiàn)為拱頂沉降變形，底板隆起變形，其中中間洞庫(kù)的變形量顯著大于兩側(cè)洞庫(kù)的變形量。水平向變形最大值為19.24 mm，變形最大值主要產(chǎn)生在最外側(cè)兩排洞庫(kù)的外側(cè)邊墻。塑性區(qū)發(fā)生在邊墻、拱頂和底板處，最大變形量分別是10-12 mm，2-3 mm 和2-3 mm，并且洞庫(kù)間圍巖塑性區(qū)全部呈貫通狀態(tài)。

圖2 開(kāi)挖后總變形云圖

圖3 開(kāi)挖后塑性區(qū)分布圖

4 結(jié)論

4.1 由于本工程洞庫(kù)巖性主要為花崗閃長(zhǎng)巖，以II 類圍巖為代表開(kāi)展分析。計(jì)算結(jié)果表明：洞庫(kù)開(kāi)挖后的總變形量相對(duì)不大，開(kāi)挖后總變形量最大值為19.77 mm，本工程洞庫(kù)圍巖開(kāi)挖后整體失穩(wěn)破壞的可能性不大。

4.2 由于本工程洞庫(kù)場(chǎng)址的地應(yīng)力以水平向應(yīng)力為主（8.6MPa），為一般自重應(yīng)力的2～3 倍，地應(yīng)力場(chǎng)的基本特點(diǎn)也決定了開(kāi)挖變形的計(jì)算結(jié)果：總體以水平向變形為主，豎直向變形為輔。

4.3 由于本工程洞庫(kù)的設(shè)計(jì)較為緊湊，洞庫(kù)間距僅一倍洞跨（20m），計(jì)算結(jié)果均表明開(kāi)挖完成后洞庫(kù)間圍巖的塑性區(qū)全部貫通，塑性區(qū)貫通后對(duì)洞庫(kù)的工程性能有一定程度的影響，需引起注意。