流固耦合作用下地下水封洞庫(kù)圍巖穩(wěn)定性分析

韓偉民

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司,山東 東營(yíng) 257100)

0 引言

石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備對(duì)于穩(wěn)定供求關(guān)系及保障國(guó)家能源安全具有重要意義。國(guó)內(nèi)外主要的石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備方式是地下水封石油洞庫(kù),即在具有穩(wěn)定地下水位的花崗巖等硬巖地層建造大型儲(chǔ)油巖洞,利用圍巖巖壁及孔隙水壓力形成密閉封存空間來(lái)儲(chǔ)油[1-3]。自二戰(zhàn)期間起源于瑞典以來(lái),法國(guó)、芬蘭、挪威、瑞典、日本、韓國(guó)等在花崗巖和片麻巖地層建造了大量的儲(chǔ)油巖洞。國(guó)內(nèi)目前正在開(kāi)展三期戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備基地的工程建設(shè)[4-8],且全部采用地下水封洞庫(kù)方式。對(duì)于這種大斷面、高邊墻、不支護(hù)的地下大型巖洞群結(jié)構(gòu),開(kāi)挖施工、裂隙水滲流場(chǎng)、軟弱構(gòu)造帶等因素都會(huì)影響其圍巖穩(wěn)定性,尤其是裂隙水滲流場(chǎng)與開(kāi)挖卸荷應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用,會(huì)導(dǎo)致洞庫(kù)圍巖強(qiáng)度弱化,洞室周邊圍巖變形加劇,進(jìn)而影響洞庫(kù)結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性[9-10]。以國(guó)內(nèi)某地下水封石油洞庫(kù)工程為例,對(duì)彈性計(jì)算、不考慮流固耦合作用時(shí)的彈塑性計(jì)算以及考慮流固耦合作用三種條件下的圍巖變形特征進(jìn)行對(duì)比,分析流固耦合作用對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律,為地下水封洞庫(kù)工程設(shè)計(jì)及工程建設(shè)提供參考。

1 流固耦合理論

數(shù)值分析中的流固耦合計(jì)算方式分為兩種:一種是滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)互不影響?yīng)毩⒂?jì)算,數(shù)據(jù)傳遞是單向的;一種是運(yùn)算過(guò)程中每個(gè)時(shí)間步都發(fā)生滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的互相影響,數(shù)據(jù)傳遞是雙向的,在這種流固耦合計(jì)算模式中,滲流場(chǎng)改變了巖體的初始應(yīng)力場(chǎng)分布,而初始應(yīng)力場(chǎng)的改變又造成裂隙形態(tài)等變化,從而導(dǎo)致滲透性能的改變。

飽水孔隙介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)平衡方程見(jiàn)式(1):

(1)

其中,ζ為單位體積孔隙介質(zhì)的流體體積變化量;M為Biot模量;α為Biot系數(shù);ε為體積應(yīng)變;β為考慮流體與固體顆粒的熱膨脹系數(shù);T為溫度;t為時(shí)間;p為孔隙水壓力。

動(dòng)量平衡方程見(jiàn)式(2):

(2)

其中,ρ為體積密度;gi(i=1,2,3)為重力加速度的3個(gè)分量;vi(i=1,2,3)為介質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度在3個(gè)方向上的分量。

本構(gòu)方程見(jiàn)式(3):

Δσij+αΔpδij=Hij(σij,Δξij)

(3)

其中,Δσij為應(yīng)力增量;Δp為孔隙水壓力增量;δij為Kronecher因子;Hij為給定函數(shù);Δξij為總應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

液體響應(yīng)方程見(jiàn)式(4):

(4)

應(yīng)變率和速度梯度的關(guān)系見(jiàn)式(5):

(5)

透水邊界條件見(jiàn)式(6):

qn=h(p-pe)

(6)

其中,qn為邊界外法線方向的流速分量;h為滲漏系數(shù);pe為滲流出口處的孔隙水壓力。

2 應(yīng)力松弛

以往在地下工程開(kāi)挖的數(shù)值計(jì)算中普遍采用瞬時(shí)開(kāi)挖法,即設(shè)置開(kāi)挖區(qū)域?yàn)闊o(wú)任何材料屬性的空模型或者直接刪除區(qū)域單元,假設(shè)巷道一次性開(kāi)挖完成,然而地下巖體在開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出具有時(shí)間效應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)自平衡特征,模型的直接刪除會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)慣性效應(yīng)甚至放大開(kāi)挖區(qū)域圍巖出現(xiàn)的破壞和損傷,因此這種針對(duì)開(kāi)挖過(guò)程的概化處理并不符合工程實(shí)際。借鑒隧道工程中的應(yīng)力松弛法,逐漸減小開(kāi)挖區(qū)域的應(yīng)力、剛度和密度等屬性,使周邊圍巖受到的影響隨時(shí)間而逐漸降低,進(jìn)而模擬真實(shí)的地下巖體的逐步開(kāi)挖過(guò)程。在保持邊界條件和材料參數(shù)不變的條件下,分別采用瞬時(shí)開(kāi)挖法和應(yīng)力松弛法進(jìn)行隧道圍巖穩(wěn)定性分析,圖1為圍巖塑性區(qū)分布情況對(duì)比。由圖1可知,采用應(yīng)力松弛法計(jì)算得到的圍巖塑性區(qū)明顯要少于瞬時(shí)開(kāi)挖法,且最終的圍巖位移變形量也更小。

3 工程應(yīng)用

國(guó)內(nèi)某地下水封洞庫(kù)工程設(shè)計(jì)庫(kù)容500萬(wàn)m3,洞庫(kù)群由8個(gè)互相平行的主洞室組成,每2個(gè)主洞室之間通過(guò)支洞連接成洞罐,共分為4個(gè)洞罐。主洞室斷面形狀為直墻圓拱型,設(shè)計(jì)洞跨為20 m,洞高為30 m?？紤]到1號(hào)斷層和 2號(hào)斷層穿越洞庫(kù)區(qū)域且相交,數(shù)值模型范圍沿洞室群主軸線方向取1號(hào)斷層和2號(hào)斷層相交的典型區(qū)域,模型長(zhǎng)750 m,寬500 m,高程為-210 m至地表。假定沿主軸線方向?yàn)閤方向,平面內(nèi)垂直主軸線方向?yàn)閥方向,豎向?yàn)閦方向。設(shè)模型四周邊界為法向約束,底面為三向約束,地表為自由面。數(shù)值模型共劃分網(wǎng)格2 654 726個(gè)四面體單元,444 901個(gè)節(jié)點(diǎn),主洞室模型如圖2所示,按圖2中順序從上到下依次為主洞室⑤、主洞室⑥、主洞室⑦和主洞室⑧。

依據(jù)巖心室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果,采用的摩爾庫(kù)侖彈塑性材料參數(shù)取值見(jiàn)表1。固定四周邊界以及底部邊界,初始地應(yīng)力為自重應(yīng)力,側(cè)向應(yīng)力乘以一個(gè)相應(yīng)的側(cè)壓力系數(shù)。隧道開(kāi)挖前,頂部地表為自由邊界,四周及底部邊界為不透水邊界,圍巖孔隙水壓力為靜水壓力,水壓力場(chǎng)與深度成正比;隧道開(kāi)挖后,將開(kāi)挖形成的洞室圍巖巖壁設(shè)置為自由排水邊界,地下水在孔隙水壓力作用下沿主洞室?guī)r壁滲出。

表1 模型參數(shù)

3.1 施工巷道圍巖穩(wěn)定性分析

目前該工程已進(jìn)入主洞室開(kāi)挖階段,在施工巷道開(kāi)挖后24 h內(nèi),通過(guò)在拱頂和巷道兩側(cè)邊墻布置基準(zhǔn)點(diǎn),動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)巷道拱頂沉降和邊墻收斂情況,一般在開(kāi)挖后3周內(nèi)圍巖變形值趨于穩(wěn)定,不再出現(xiàn)明顯變化。巷道圍巖在開(kāi)挖初期進(jìn)行應(yīng)力重分布,導(dǎo)致變形急劇增大,待應(yīng)力分布重新達(dá)到平衡時(shí),圍巖變形得到恢復(fù)。圖3為施工巷道①某斷面處圍巖拱頂沉降和邊墻收斂監(jiān)測(cè)值變化曲線,由圖3可知,開(kāi)挖后拱頂沉降量和邊墻收斂量逐漸增加,約10 d后趨于穩(wěn)定。

利用已建立的三維數(shù)值模型,在不考慮滲流場(chǎng)的情況下采用應(yīng)力松弛法開(kāi)挖,施工巷道開(kāi)挖完成后,平均拱頂下沉約1.6 mm,邊墻收斂約1.2 mm;在考慮流固耦合作用時(shí)采用應(yīng)力松弛法開(kāi)挖,施工巷道開(kāi)挖后,平均拱頂下沉約3.3 mm,邊墻收斂約2.7 mm。表2為施工巷道開(kāi)挖完成后2個(gè)典型斷面處的拱頂沉降和邊墻收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比,其中典型斷面1為1號(hào)斷層穿越施工巷道①處斷面,典型斷面2為2號(hào)斷層穿越施工巷道①處斷面。由表2可知,圍巖變形計(jì)算結(jié)果略高于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值,這是由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值是在巷道圍巖開(kāi)挖后才發(fā)生的變形,并不能涵蓋由初始應(yīng)力平衡狀態(tài)-開(kāi)挖-再次應(yīng)力平衡狀態(tài)整個(gè)過(guò)程的全部變形量,該結(jié)論與前人研究結(jié)果一致。

表2 典型斷面處圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比 mm

3.2 主洞室圍巖穩(wěn)定性分析

目前該工程主洞室尚未完工,未取得主洞室圍巖典型斷面處的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),但由圖3和表2可知,在考慮滲流場(chǎng)的條件下采用應(yīng)力松弛法開(kāi)挖來(lái)模擬圍巖位移變形量是可行的,因此下面通過(guò)數(shù)值計(jì)算進(jìn)一步對(duì)比分析不同施工階段主洞室的圍巖穩(wěn)定性。

在不考慮滲流場(chǎng)的情況下,不同施工階段各主洞室與1號(hào)斷層和2號(hào)斷層交匯處的典型位置位移變化趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可知,主洞室一層、二層、三層相繼開(kāi)挖后,圍巖總體變形趨勢(shì)逐漸增大,且位移最顯著處為2號(hào)穿越主洞室⑥區(qū)域,其中2號(hào)斷層貫穿主洞室處的最大拱頂下沉量由7.99 mm增大至10.47 mm,最大底板回彈量由8.65 mm增大至9.91 mm,最大邊墻收斂量由2.53 mm增大至7.60 mm。主洞室位移變形量及塑性區(qū)范圍主要受斷層、節(jié)理及其影響帶控制,穿過(guò)斷層、節(jié)理密集區(qū)及其影響帶的洞周圍巖變形比其他區(qū)域明顯,因此需要密切關(guān)注斷層出露部位并及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。

在考慮流固耦合作用時(shí),不同施工階段各主洞室與1號(hào)斷層和2號(hào)斷層交匯處的典型位置位移變化趨勢(shì)如圖5,表3所示。與未考慮流固耦合作用不同的是,主洞室開(kāi)挖后,圍巖不斷進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的重新分布和平衡,而相對(duì)于應(yīng)力場(chǎng)而言,隧道滲流場(chǎng)的分布是一個(gè)較為緩慢的過(guò)程,并且滲流場(chǎng)的重分布使主洞室拱頂、左右拱腰及底板圍巖位移均有顯著增加。流固耦合作用下,主洞室圍巖變形最顯著位置依然位于2號(hào)斷層穿越主洞室⑥處,開(kāi)挖完成后圍巖最大拱頂沉降達(dá)15.21 mm,最大底板隆起達(dá)11.71 mm,最大邊墻收斂達(dá)8.96 mm。

表3 不同開(kāi)挖階段主洞室圍巖典型部位變形量 mm

3.3 結(jié)果對(duì)比分析

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,主洞室整體穩(wěn)定性好,僅在斷層穿越處變形顯著。對(duì)彈性、不考慮流固耦合、考慮流固耦合三種不同模式下1號(hào)斷層剖面和2號(hào)斷層剖面典型部位的位移進(jìn)行對(duì)比,得到地下水封洞庫(kù)主洞室圍巖典型剖面的底板隆起、拱頂沉降和邊墻收斂變形趨勢(shì),如圖6,圖7所示。由圖6,圖7可知,三種計(jì)算模式中彈性計(jì)算時(shí)各典型剖面處圍巖變形量最小,考慮流固耦合作用時(shí)的圍巖變形量最大。彈性條件下,1號(hào)底板隆起變形量最大的是2號(hào)斷層與⑤主洞室交匯處,達(dá)到9.19 mm,拱頂沉降變形最大的是2號(hào)斷層與⑥主洞室交匯處,達(dá)到8.76 mm,邊墻收斂變形最大的是2號(hào)斷層與⑥主洞室交匯處,達(dá)到3.76 mm?？紤]流固耦合作用與不考慮流固耦合作用時(shí)的主洞室圍巖變形量變化幅度對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 考慮流固耦合作用比不考慮流固耦合作用時(shí)主洞室圍巖變形量變化幅度對(duì)比 %

由圖6,圖7和表4可知,流固耦合作用對(duì)地下水封洞庫(kù)圍巖變形影響相當(dāng)顯著,尤其是拱頂和邊墻處變形最為明顯,施工中應(yīng)對(duì)斷層、節(jié)理密集帶等地質(zhì)劣化處圍巖采取必要的加固措施和預(yù)注漿或后注漿等有效的滲控措施,防止主洞室涌水量過(guò)大造成局部圍巖坍塌。

4 結(jié)論

1)流固耦合作用對(duì)洞庫(kù)圍巖變形的影響相當(dāng)顯著,考慮流固耦合作用的主洞室圍巖變形量比不考慮時(shí)增大1.87 mm～6.37 mm左右,在工程設(shè)計(jì)和施工階段應(yīng)重視流固耦合作用對(duì)主洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性尤其是拱頂和邊墻處的影響,提前采取必要手段防止涌水量過(guò)大造成的圍巖失穩(wěn)。

2)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,主洞室整體穩(wěn)定性好,斷層及節(jié)理密集帶等地質(zhì)劣化區(qū)域是影響洞室圍巖穩(wěn)定的最主要不利因素,施工開(kāi)挖過(guò)程中需密切關(guān)注這些典型部位并及時(shí)開(kāi)展預(yù)報(bào)分析和支護(hù)方案調(diào)整。

3)在洞庫(kù)建設(shè)階段需要通過(guò)大量長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè),結(jié)合理論分析與數(shù)值計(jì)算手段,提高洞庫(kù)圍巖穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)確性。