某地下水封洞庫群圍巖穩(wěn)定性分析與評價

賈聿頡,張溢豐,黃智國,涂淼洋

(黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司,河南 鄭州 450003)

地下水封洞庫是指在穩(wěn)定地下水位以下一定深度巖體中開挖出的利用水封原理儲存油氣能源的地下空間系統(tǒng),通常由一定數量的單個洞庫組成洞庫群以滿足儲量要求,是目前國際上石油、液化氣等能源的主要儲存方式[1]。相比于傳統(tǒng)的地表鋼罐能源儲存,地下水封洞庫能源儲存具有安全、經濟、環(huán)保的獨特優(yōu)勢[2]。地下水封洞庫的選址和建設必須要滿足兩個基本的地質條件:完整性和強度較好的巖體、穩(wěn)定的地下水條件。

基于此,大規(guī)模的地下水封洞庫群開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性問題,成為了制約地下水封洞庫工程建設的一個關鍵技術問題,眾多學者在水封洞庫群開挖過程中圍巖變形、穩(wěn)定性分析和評價方面已經積累了一定的理論和經驗。

Lee等[3]、Sturk等[4]以非襯砌地下儲油洞庫為例總結了洞庫設計、建造過程中遇到的圍巖穩(wěn)定性方面問題。陳祥[5]、時洪斌[6]以黃島地下水封石油洞庫工程為例,通過采用Solidworks、Hypermesh和Flac3D等分析軟件對黃島地下水封石油洞庫進行了單洞和洞群的開挖模擬計算,分析評價了實際工序或優(yōu)化工序下地下洞室圍巖的變形情況、穩(wěn)定性以及洞群開挖時洞室間的相互作用等。楊峰[7]以惠州地下儲油庫為研究對象,采用復變函數解析方法對不同等級圍巖情況下的單洞穩(wěn)定性進行了比較分析,并對滲流條件下洞周圍巖塑性區(qū)的擴展進行了預測。呂曉慶[8]以我國首個在建的大型無襯砌地下水封石油儲備庫項目為背景,運用彈塑性理論,在室內巖石三軸試驗基礎上,研究了花崗巖地層大型無襯砌地下水封石油洞庫圍巖穩(wěn)定性參數的敏感性以及變形和穩(wěn)定性。吳壯志[9]詳細分析和總結了地下水封洞庫群開挖過程中影響圍巖穩(wěn)定性的因素,并通過數值建模和分析計算,對洞庫群圍巖塑性區(qū)、應力場、水平和豎向變形量進行了研究總結,極大地優(yōu)化地下水封洞庫的開挖方案、斷面形式和空間布置形式。彭振華等[10]以海島環(huán)境建造地下水封油庫為例,基于流固耦合理論,采用有限元數值模擬方法對海島環(huán)境建造地下水封洞庫的圍巖穩(wěn)定性和水幕系統(tǒng)對水封可靠性的影響進行分析。曹洋兵[11]、李健[12]、王者超等[13]針對大型地下水封洞庫,通過采用理論推導、數值分析、室內試驗等方法,在圍巖變形破壞特征、穩(wěn)定性分析以及支護方案等方面進行了深入淺出的研究,并總結出了一定的研究經驗和理論。

研究表明數值分析方法[14-16]可以通過較低的成本完成大量的重復計算,為實際建設工程提供指導意見。然而,目前仍缺少區(qū)域性大斷層存在時的地下水封洞庫群圍巖安全性分析研究。

離散單元法是一種顯示求解的數值計算方法,是Cundall在1971年提出的,能夠考慮節(jié)理、斷層的存在,塊體被節(jié)理或斷層等切割后變成不連續(xù)體,可以分析塊體間的失穩(wěn)脫離造成的掉塊、崩落等現(xiàn)象,是已被證實用于分析洞庫群圍巖穩(wěn)定性問題分析的有效方法[17-18]。

3DEC是一款基于離散單元法作為基本理論以描述離散介質力學行為的計算分析程序,3DEC有內置的材料行為模型,適用于完整塊和不連續(xù)塊,可以模擬不連續(xù)地質或類似材料的響應。對于考慮區(qū)域性斷層的地下水封洞庫圍巖的穩(wěn)定性分析,具有較好的適應性。

本文基于離散單元法軟件3DEC,構建出了包含斷層影響帶在內的離散地質三維模型,分別計算某地下水封洞庫群在Ⅱ類和Ⅲ類圍巖級別條件下無襯砌開挖時圍巖的變形和應力分布特征,分析評價了地下水封洞庫群的圍巖穩(wěn)定性特征,旨在為后續(xù)的設計施工和類似工程作理論參考,探索一種廣泛適用于地下水封洞庫群圍巖安全性的研究分析方法。

1 工程概況

擬建于我國東南沿海典型的花崗巖地區(qū)的某地下水封洞庫工程,屬閩粵沿?；◢弾r丘陵亞區(qū),區(qū)內地勢整體西南高北東低,東側臨海,水源豐富。工程區(qū)地表基巖裸露,表層風化,巖性主要為晚三疊-侏羅系片麻狀混合二長花崗巖(T3-J),屬于典型的花崗巖地區(qū),區(qū)內影響洞庫群穩(wěn)定性的構造斷裂主要有四條:F1、F2、F3、F4-1,其中F1和F2近垂直切穿洞庫的設置軸線,F3和F4-1位于洞庫工程的邊緣地帶。

工程規(guī)劃庫容超1 000萬m3,共布置主洞室21條,洞室均按NW310°E平行布置洞庫,洞庫截面均為直墻圓拱形,斷面寬20 m,高30 m,拱頂高程為-60 m,底板高程為-90 m,洞庫群平面布置如圖1所示,圖2為洞庫橫截面圖。

圖1 平面示意圖

圖2 主洞室橫截面圖

2 三維整體穩(wěn)定性分析

2.1 數值模型

由于工程區(qū)面積較大,計算深度范圍內洞庫群圍巖以微風化～新鮮狀花崗巖為主,節(jié)理裂隙不甚發(fā)育,因此對模型進行適當簡化,暫不考慮模型中節(jié)理裂隙,僅考慮斷層F1、F2、F3、F4-1對洞庫群的影響。

采用塊體離散單元法的計算程序3DEC對某地下水封洞庫群的圍巖穩(wěn)定性進行數值模擬分析,首先在ItasCAD中將地形數據構建出真實的天然地表,再通過自編程序接口,將地表導入3DEC中,以Y向為正北方向,X為正東方向,以斷層產狀為依據創(chuàng)建結構面,貫穿切割所有塊體,最終建立3DEC離散模型。模型長2 712 m,寬2 458 m,最大高差383.6 m,底部高程-100 m,坡頂高程283.6 m,三維計算模型整體效果如圖3所示。

圖3 三維計算模型

為了方便后面分析,將洞室分為A、B、C三個區(qū),見圖4所示,并對每個洞室進行編號,A區(qū)包括1～8號洞庫,B區(qū)包括9～13號洞庫,C區(qū)包括14～21號洞庫。洞庫群的中心區(qū)域約在A區(qū)5～7號洞庫北側。

圖4 洞庫群平面分布圖

2.2 計算條件

按照洞庫設計深度,結合勘察資料,對主洞庫的圍巖類別占比進行了統(tǒng)計, Ⅱ類圍巖占比約75%,Ⅲ類圍巖占比約19%,IV類圍巖占比約3%,V類圍巖占比約3%。洞庫多位于微風化～新鮮狀的Ⅱ～Ⅲ類花崗巖體中,洞庫群擬采用無襯砌施工開挖。

基于此,分別計算分析了洞庫群在Ⅱ類和Ⅲ類2種圍巖條件下一次性開挖時圍巖的穩(wěn)定性特征,并在埋深最大的8號洞庫南側洞口處設置監(jiān)測截面,布置監(jiān)測點,記錄分析洞庫典型截面的變形特征和應力分布。

計算中巖體和結構面均采用摩爾-庫倫本構模型,采用的物理力學參數見表1。

表1 圍巖和結構面物理力學參數表

3 計算結果分析

3.1 整體變形分析

(1) Ⅱ類圍巖。圖5為地下水封洞庫群的整體變形分布情況,圖6為-70 m高程處洞庫群圍巖的平面變形云圖,該高程處的變形包含洞庫群圍巖的最大變形。

圖5 整體平面變形云圖

圖6 高程-70 m處洞庫群圍巖變形云圖(Ⅱ類圍巖)

按照變形大小,洞庫群變形區(qū)可以分為4類:i)變形小于20 mm;ii)變形介于20 mm～30 mm;iii)變形介于30 mm～50 mm;iv)變形大于50 mm。

根據變形云圖,可以看出這4類變形區(qū)的分布特征:i類變形僅出現(xiàn)在洞庫群邊緣遠端部分,ii～iv類變形主要集中在洞庫群的中心區(qū)域,且越靠近洞庫群中心,洞庫變形就越大,群洞效應突出。

最大變形區(qū)位于A區(qū)4～7號洞室北段,最大變形量可達80 mm,因這部分圍巖的洞室較為密集,且被A、B區(qū)和C區(qū)洞室群包圍,受群洞開挖而產生的不利影響最大。

為了更清晰的觀察最大變形區(qū),從而辨別圍巖潛在危險區(qū),將圖5中1-1剖面的圍巖變形展示于圖7中,從左至右,洞庫編號依次為1～13?？梢钥闯? 6號洞庫和7號洞庫拱頂和右側邊墻上部為潛在不穩(wěn)定區(qū),4號洞庫拱頂和右側邊墻局部、5號洞庫拱頂和右側邊墻、8號洞的拱頂為潛在次危險區(qū)。

圖7 1-1剖面的圍巖變形分布(Ⅱ類圍巖)

(2) Ⅲ類圍巖。圖8為高程-70 m處洞室群的圍巖平面變形云圖,該高程處的變形包含洞庫群圍巖的最大變形。按照變形大小,洞庫群變形區(qū)依然可分為4類:i)變形小于100 mm;ⅱ)變形介于100 mm～150 mm;ⅲ)變形介于150 mm～250 mm;iv)變形大于250 mm。

圖8 高程-70 m處洞室群圍巖變形云圖(Ⅲ類圍巖)

這4類變形區(qū)的分布特征與Ⅱ類圍巖條件下的分布特征基本一致,較大變形依然主要集中分布在洞庫群中心區(qū)域,越靠近群洞中心,變形就越大,揭示了群洞效應的影響。

最大變形區(qū)依然位于A區(qū)4～7號洞室北段,最大變形量可達400 mm,變形量遠大于Ⅱ類圍巖條件下的變形量,約為Ⅱ類圍巖的5倍。

圖9所示1-1剖面的圍巖變形分布特征以及潛在不穩(wěn)定區(qū)與Ⅱ類圍巖條件下基本保持一致,6、7號洞庫拱頂和右側邊墻上部為潛在不穩(wěn)定區(qū),4、5號洞庫拱頂和右側邊墻、8號洞的拱頂為潛在次危險區(qū)。但圍巖變形量增加,開挖主要影響范圍內變形量都在100 mm以上,說明圍巖Ⅲ類時,圍巖變形增大,開挖的危險性變高。

圖9 1-1剖面的圍巖變形分布(Ⅲ類圍巖)

3.2 監(jiān)測截面分析

根據計算時監(jiān)測點的數據,分析8號洞庫典型截面的變形特征和應力分布。

(1) 變形特征。圖10為Ⅱ類圍巖條件下8號洞庫監(jiān)測點的變形曲線,圍巖變形最終收斂,截面處圍巖變形規(guī)律表現(xiàn)為頂拱下沉、底板隆起、邊墻向兩側臨空面變形,其中頂拱的最大下沉約14.8 mm。圖11為Ⅲ類圍巖條件下8號洞庫監(jiān)測點的變形曲線,截面處圍巖變形規(guī)律表現(xiàn)與Ⅱ類圍巖條件下保持一致,但頂拱的最大下沉變?yōu)?2.0 mm。

圖10 Ⅱ類圍巖下各監(jiān)測點變形曲線

圖11 Ⅲ類圍巖下各監(jiān)測點變形曲線

(2) 應力分布。表2統(tǒng)計了Ⅱ、Ⅲ類圍巖條件下8號洞庫監(jiān)測點最大主應力、中間主應力和最小主應力。

表2 8號洞庫監(jiān)測點應力統(tǒng)計表

可以看出,Ⅱ類圍巖條件下,最大應力集中出現(xiàn)在洞庫截面左側拱肩處,量值為14.10 MPa,未超過Ⅱ類圍巖的單軸飽和抗壓強度,說明圍巖未受破壞,圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。III類圍巖條件下,最大應力集中出現(xiàn)在洞庫左側壁下邊角處,量值為12.38 MPa,同樣未超過Ⅲ類圍巖的單軸飽和抗壓強度,說明圍巖未受破壞,圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

實際上,根據勘察結果,工程深度范圍內巖體主要為Ⅱ、Ⅲ類花崗巖,Ⅲ類圍巖的計算結果是偏向保守的。另外,大尺度模型也可能過高估計圍巖的變形。

值得注意地是,雖然圍巖變形可能被高估,但是若考慮巖體中存在的節(jié)理,Ⅲ類巖體依然可能發(fā)生較大變形,具有較高的失穩(wěn)風險。

3.3 斷層對圍巖變形影響

根據兩類圍巖級別條件下計算結果變形云圖分析,未見斷層對洞庫圍巖變形有顯著的影響,相比于計算模型的尺寸,結構面對洞庫群圍巖變形的影響可忽略不計。分析認為:區(qū)內發(fā)育的斷層規(guī)模較小;計算條件下圍巖為Ⅱ類或Ⅲ類花崗巖,自身整體穩(wěn)定性較好;洞庫近垂直穿越斷層F1和F2;這些因素都削弱了構造破碎帶對洞庫圍巖變形的影響?？梢哉J為,區(qū)內斷層對本工程洞庫圍巖變形影響較小。

4 結 論

通過分析研究我國東南花崗巖地區(qū)某地下水封洞庫群在兩種不同圍巖級別條件下無襯砌開挖時,洞庫群的圍巖變形規(guī)律和應力特征,得到以下主要結論:

(1) 通過對整體變形分析,Ⅱ類和Ⅲ類圍巖兩種工況下洞庫群的變形規(guī)律趨于一致,主要變形均集中于洞庫群中心區(qū)域,越靠近洞庫群中心,洞庫變形就越大,群洞效應突出;最大變形區(qū)均集中于A區(qū)4～7號洞室北段,變形量后者約為前者的5倍;兩種工況下1-1剖面揭示的圍巖變形中, 6、7號洞庫的拱頂和右側拱肩均為潛在不穩(wěn)定區(qū)。

(2) 通過對監(jiān)測點數據的分析,Ⅱ類和Ⅲ類圍巖兩種工況下8號洞庫典型截面監(jiān)測點的變形特征相似,均表現(xiàn)為向開挖臨空面變形的趨勢,且圍巖變形最終收斂。其中兩種工況下頂拱的最大下沉量分別為14.8 mm和72.0 mm;監(jiān)測點最大主應力分別為14.10 MPa和12.38 MPa,主要位于拱肩和下邊角部位,均未超過對應級別圍巖的單軸飽和抗壓強度,圍巖未受破壞,處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 區(qū)內斷層對本工程洞庫圍巖變形影響較小。這是因為區(qū)內發(fā)育的斷層規(guī)模較小、圍巖條件較好以及洞庫近垂直穿越斷層F1和F2,這些因素會不同程度的削弱斷層對本工程洞庫群圍巖變形的影響。

(4) 計算采用的是洞室一次開挖完成的方法,并不能完全體現(xiàn)洞室開挖順序對圍巖穩(wěn)定性的影響,但是較好揭示了群洞效應的存在,建議根據圍巖存在的潛在大變形問題,合理設計洞庫的施工開挖次序,同時,應考慮對iv類變形區(qū)的洞庫開挖進行重點支護或加強支護。