輸水隧洞穿越河谷段上覆巖層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李海軍

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 鐵嶺 112300)

1 工程背景

遼寧省某重點(diǎn)輸水工程二期工程可以將工程的調(diào)入水量輸送至遼西北地區(qū)的重要城市和工業(yè)區(qū)，可以有效促進(jìn)水庫以及河湖水系的連通，同時(shí)為農(nóng)村地區(qū)提供飲用水和高效農(nóng)業(yè)用水，并具備向周邊地區(qū)供水的能力，具有十分重要經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。錦州輸水隧洞是該工程白石段隧洞的一部分，主要用于解決錦州市、20家子工業(yè)園以及葫蘆島市城市生活和生產(chǎn)用水問題，隧洞全長(zhǎng)35.06km，起點(diǎn)由輸水主線壓力隧洞末端的取水豎井，終點(diǎn)位于小凌河左岸灘地，隧洞為城門洞型斷面設(shè)計(jì)，寬度和高度為4.6m×5.25m，設(shè)計(jì)最大輸水規(guī)模為15.39m3/s[1]。隧洞全部采用鉆爆法施工，隧洞起點(diǎn)底板高程100.0m，出口底板高程97.0m，洞底縱坡0.086‰，洞內(nèi)水深3.95m，凈空高度1.30m，凈空率20.1%。輸水隧洞穿越小西溝洞段位移樁號(hào)C1+203～C2+105之間，由于兩岸山體較陡，坡度較大，河谷深切，因此河谷底部與隧洞的垂直距離較小。如果整體增大隧洞埋深，則會(huì)導(dǎo)致工程成本的大幅增加，否則不利于工程的安全穩(wěn)定。基于此，此次研究利用數(shù)值模擬的方式，探討研究洞段上覆巖層厚度的最小安全距離，以便為工程施工設(shè)計(jì)提供支持。

2 FLAC3D計(jì)算模型

2.1 軟件選擇

在巖土工程領(lǐng)域圍巖穩(wěn)定性分析的常用數(shù)值模擬方法較多，主要有有限元法(FEM)、離散單元法(DEM)、快速拉格朗日分析法(FLAC)、邊界單元法(BEM)和不連續(xù)變形分析法(DDA)[2]。其中，F(xiàn)LAC(Fast Lagangian Analysis for Continua)是美國(guó)明蘇尼達(dá)州咨詢公司專門為地質(zhì)工程研發(fā)額一款有限差分計(jì)算軟件，不僅可以較好的對(duì)巖土材料達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限后產(chǎn)生的破壞或塑像流動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，在應(yīng)用于大變形時(shí)也能取得較好的效果[3]。基于此，此次研究選擇FLAC3D軟件進(jìn)行背景工程計(jì)算模型的構(gòu)建。

2.2 計(jì)算模型的構(gòu)建

根據(jù)研究洞段的地質(zhì)勘查資料，樁號(hào)C2+010～C2+42洞段位于河谷底部，上覆巖層的厚度最小，因此將該洞段作為研究洞段。該洞段的上覆巖層自上而下分別為Ⅳ類和Ⅴ類巖體，巖性主要是白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r和鈣質(zhì)頁巖。根據(jù)相關(guān)研究成果，均值彈性的圓形洞室在無限開挖時(shí)，圍巖的應(yīng)力應(yīng)變?cè)谛逗舍尫诺淖饔孟聲?huì)發(fā)生一些變化，一般在洞室半徑5倍之外的區(qū)域其影響不超過1%，在半徑3倍之外的區(qū)域其影響不超過5%[4]。鑒于研究洞段為城門洞型斷面，同時(shí)考慮到其他因素的影響，研究中選擇5倍洞徑確定計(jì)算范圍，模型的頂部至地表[5]。對(duì)建立的幾何模型利用6面體8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，對(duì)柱形隧洞的外圍漸變放射網(wǎng)格進(jìn)行建模，然后對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行離散化，最終獲得10056個(gè)網(wǎng)格單元，11567個(gè)節(jié)點(diǎn)。在模型網(wǎng)格剖分過程中，不同部位的網(wǎng)格劃分雖然相同，但是對(duì)不同類型的圍巖進(jìn)行不同的物理力學(xué)參數(shù)賦值，以有效模擬隧洞開挖后的變形情況[6]。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 邊界條件與計(jì)算參數(shù)

在FLAC3D有限元軟件中提供了12種本構(gòu)模型，此次研究選擇地質(zhì)材料普遍選用以及對(duì)地下開挖均使用的摩爾-庫倫模型。根據(jù)研究需要，計(jì)算模型采用位移-應(yīng)力邊界條件[7]。由于項(xiàng)目區(qū)沒有應(yīng)力實(shí)測(cè)資料，因此選取豎向應(yīng)力作為巖體的自重應(yīng)力，其數(shù)值根據(jù)各類圍巖容重的均值計(jì)算獲取。對(duì)模型的底部施加全位移約束條件，模型的兩側(cè)為豎向位移約束條件，頂部為自由邊界條件[8]。

模型材料的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果存在顯著影響，研究中選擇摩爾-庫倫模型所需要的材料參數(shù)，有關(guān)參數(shù)依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范和前提地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)綜合確定，具體見表1。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

2.4 計(jì)算方案

為了獲取最佳上覆巖層厚度，研究中結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究成果，從10～20m，間隔1m設(shè)置11種計(jì)算工況，對(duì)不同上覆圍巖厚度下的圍巖的位移、應(yīng)力和安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定最佳上覆巖體厚度。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同上覆巖厚度下的隧洞圍巖的位移進(jìn)行模擬計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中提取拱頂沉降、拱肩收斂、拱腰收斂以及拱底隆起變形量，見表2。由表中的計(jì)算結(jié)果可以看出，覆巖厚度會(huì)對(duì)隧洞各關(guān)鍵部位的位移量造成比較顯著的影響，是位移變形的主要影響因素之一。以表2中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制出隧洞各關(guān)鍵部位的位移量隨覆巖厚度的變化曲線，結(jié)果如圖2所示。由圖可以看出，隨著覆巖厚度的增加各關(guān)鍵部位的位移量均呈現(xiàn)出迅速減小后逐步趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。具體來看，當(dāng)覆巖厚度小于15m時(shí)，位移量的減小比較迅速且幅度較大，當(dāng)覆巖厚度大于15m時(shí)，位移量的減小幅度較為有限。

表2 不同覆巖厚度位移量計(jì)算結(jié)果

圖2 位移量隨覆巖厚度變化曲線

3.2 應(yīng)力

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同上覆巖厚度下的隧洞圍巖的應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中提取最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)和最大剪應(yīng)力值，見表3，并繪制出應(yīng)力值隨覆巖厚度的變化曲線，結(jié)果如圖3所示。由表3和圖3可以看出，隧洞上覆巖體的厚度對(duì)圍巖應(yīng)力值存在比較明顯的影響；隨著上覆圍巖的厚度的增加，圍巖的應(yīng)力值呈現(xiàn)出先迅速減小并逐漸趨于平穩(wěn)的變化特點(diǎn)。具體來看，當(dāng)研究洞段的上覆巖體厚度小于15m時(shí)，隨著上覆巖體厚度的增加，最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力值迅速減??；當(dāng)研究洞段的上覆巖體厚度大于15m時(shí)，隨著上覆巖體厚度的增加，最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力值減小幅度較為有限并逐漸趨于平穩(wěn)。

表3 不同覆巖厚度圍巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖3 圍巖應(yīng)力值隨覆巖厚度變化曲線

3.3 安全系數(shù)

圍巖安全穩(wěn)定系數(shù)是地下洞室工程開挖施工方案評(píng)價(jià)，保證施工安全進(jìn)行的重要指標(biāo)。研究中利用研究洞段的圍巖位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)不同上覆巖體厚度條件下的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖4所示的研究洞段圍巖安全系數(shù)隨上覆巖體厚度的變化曲線。由圖可以看出，圍巖安全系數(shù)隨著上覆巖體厚度的增大而增大，說明增大上覆圍巖厚度可以有效提高隧洞開挖后圍巖的安全穩(wěn)定系數(shù)。從具體的變化規(guī)律來看，隨著上覆巖體厚度的增加，隧洞圍巖安全系數(shù)呈現(xiàn)出先迅速增大后逐漸趨于平緩的變化特點(diǎn)。因此，大幅增加上覆巖體厚度并不能明顯提升圍巖安全穩(wěn)定性。從具體數(shù)值來看，當(dāng)上覆巖體厚度為14m時(shí)，圍巖安全系數(shù)為1.56，略大于1.50的工程設(shè)計(jì)值，考慮到施工中圍巖穩(wěn)定性的影響因素較多，需要有一定的冗余，建議將上覆巖體的厚度設(shè)計(jì)為15m，此時(shí)圍巖的安全系數(shù)為1.71。

圖4 圍巖安全系數(shù)隨上覆巖體厚度變化曲線

4 結(jié)語

此次研究以具體工程為背景，利用數(shù)值模擬的方式探討了輸水隧洞穿越深切河谷段上覆圍巖厚度設(shè)計(jì)問題，獲得的主要結(jié)論如下。

(1)圍巖的位移和應(yīng)力值隨著上覆圍巖厚度的增加先迅速減小后逐漸趨于平穩(wěn)，當(dāng)上覆巖體厚度大于15m時(shí)減小幅度較為有限。

(2)當(dāng)上覆巖體厚度為14m時(shí)，圍巖安全系數(shù)為1.56，略大于1.50的工程設(shè)計(jì)值，上覆巖體的厚度設(shè)計(jì)為15m時(shí)，圍巖安全系數(shù)為1.71，有一定的冗余量。

(3)結(jié)合計(jì)算結(jié)果和工程經(jīng)濟(jì)性，建議將上覆巖體的厚度設(shè)計(jì)為15m。