董聯(lián)杰，李小根，李 震，陳 然

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

1 工程概況

某水電站右岸尾調(diào)通氣洞轉(zhuǎn)彎段(樁號(hào)K0 +0—K0 +10)在施工掘進(jìn)階段頂拱和邊墻出現(xiàn)較大規(guī)模的坍塌，坍塌段長(zhǎng)約10 m，塌落最大深度約2 m．該坍塌洞段埋深約500 m，巖性主要為角礫熔巖、隱晶質(zhì)玄武巖，巖體微新無卸荷，呈次塊狀、塊狀結(jié)構(gòu)，洞段上方8 ～10 m 處發(fā)育層間錯(cuò)動(dòng)帶C4． 坍塌范圍內(nèi)右邊墻發(fā)育兩條陡傾角裂隙，間距約0．5 m，產(chǎn)狀N55°W，NE∠80°，寬1 cm 左右，夾方解石脈，起伏，粗糙，面扭曲，面見擦痕．

為進(jìn)一步深入分析交叉口洞室的坍塌原因和影響因素，筆者擬利用FLAC3D 與3DEC 數(shù)值分析軟件對(duì)洞室開挖后洞段南側(cè)頂拱和邊墻的坍塌破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)其坍塌破壞的原因做出解釋，以便能及時(shí)、準(zhǔn)確地提供合理的處理措施，也為其他工程類似問題的處理提供參考［1－4］．

2 FLAC3D 數(shù)值模擬

2．1 模型的建立

FLAC3D 能夠準(zhǔn)確地模擬地應(yīng)力場(chǎng)的變化．FLAC3D 軟件與其他有限元相比最大的優(yōu)勢(shì)主要在于它能夠更方便、準(zhǔn)確地解決大變形的問題［5－7］．

計(jì)算模型采用四面體網(wǎng)格，模型單元數(shù)量達(dá)102．5 萬個(gè);模型建立過程中，對(duì)主要的分析部位采用逐步細(xì)化網(wǎng)格來提高精度(如交叉洞室部位及附近區(qū)域)，使模型的計(jì)算精度滿足工程實(shí)際要求．應(yīng)用FLAC3D 建立的數(shù)值模型如圖1 與圖2 所示．

圖1 地下洞室數(shù)值模型

圖2 交叉口數(shù)值模型

2．2 本構(gòu)與參數(shù)

數(shù)值計(jì)算中巖體采用應(yīng)變軟化型摩爾－庫侖本構(gòu)模型［8］，同時(shí)建立了圍巖峰后強(qiáng)度與巖體塑性應(yīng)變量的關(guān)系． 其中層間錯(cuò)動(dòng)帶C4力學(xué)參數(shù)的取值為:法向剛度Kn= 0． 4 GN/m、切向剛度Ks=0．2 GN/m、黏聚力c=0．05 MPa，摩擦角φ=14．4°．玄武巖巖體力學(xué)參數(shù)見表1．

表1 玄武巖巖體力學(xué)參數(shù)取值

2．3 初始應(yīng)力條件的確定

對(duì)于該水電站右岸地下洞室群水平埋深大于500 m 而言，巖體地應(yīng)力狀態(tài)基本不受深切河谷地形地貌的影響，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后的應(yīng)力殘余占據(jù)重要地位．計(jì)算中最大主應(yīng)力方向取NS，水平狀;中間主應(yīng)力為EW 向，也呈水平狀;最小主應(yīng)力鉛直．根據(jù)該地區(qū)地質(zhì)條件反演得出此洞室地應(yīng)力特征分布的計(jì)算公式，應(yīng)力大小與地下洞室的埋深滿足如下關(guān)系:

式中:σ1，σ2，σ3分別為最大、中間、最小主應(yīng)力，MPa;h 為地下洞室的埋深，m．

應(yīng)用初始應(yīng)力場(chǎng)公式，即式(1)，以1 175 m 作為地表高程，可以估算出右岸尾調(diào)室?guī)r體在650 m高程的特征應(yīng)力比為26 MPa ∶22 MPa ∶15 MPa(1．73∶1．47∶1．00)．

2．4 模擬結(jié)果分析

圖3 為交叉洞室應(yīng)力集中與現(xiàn)場(chǎng)破壞比較圖;圖4 為由FLAC3D 計(jì)算所得的考慮層間錯(cuò)動(dòng)帶C4影響下的圍巖最大主應(yīng)力和位移分布特征內(nèi)視圖．

圖3 交叉洞室應(yīng)力集中與現(xiàn)場(chǎng)破壞比較圖

圖4 考慮層間錯(cuò)動(dòng)帶C4 的圍巖最大主應(yīng)力和位移分布特征內(nèi)視圖

由圖3 和圖4 可知:由于地應(yīng)力分布特征的影響，在尾調(diào)通氣洞和4#公路排風(fēng)平洞與最大主應(yīng)力呈大角度相交段，以及洞室的南側(cè)頂拱和北側(cè)拱腳由于受最大主應(yīng)力的擠壓而產(chǎn)生較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，尾調(diào)通氣洞南側(cè)頂拱的平均應(yīng)力值為30 ～38 MPa;高應(yīng)力集中區(qū)(σ1＞38 MPa)主要分布在交叉口洞段位置的南側(cè)頂拱和北側(cè)拱腳附近區(qū)域;由于受層間錯(cuò)動(dòng)帶C4和地應(yīng)力分布特征的組合影響，現(xiàn)場(chǎng)坍塌位置附近的工作斷面(樁號(hào)K0 +0—K0 +10)頂拱附近區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，其中南側(cè)頂拱的平均應(yīng)力值高達(dá)40 MPa 左右，最大應(yīng)力值為43．5 MPa;層間錯(cuò)動(dòng)帶C4的存在較為顯著地改變了交叉口附近的局部應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，即與層間錯(cuò)動(dòng)帶C4斜切的頂拱附近區(qū)域出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中和較大的變形．

以樁號(hào)K0 +2 和樁號(hào)K0 +10 兩個(gè)工作斷面為例，進(jìn)一步分析地應(yīng)力和層間錯(cuò)動(dòng)帶C4組合因素影響下交叉洞段開挖的應(yīng)力集中現(xiàn)象． 圖5 和圖6 分別顯示了FLAC3D 計(jì)算所得的交叉洞室開挖后典型工作斷面主應(yīng)力分布及塑性區(qū)深度．

圖5 交叉洞室開挖后工作斷面(樁號(hào)K0 +2)主應(yīng)力分布及塑性區(qū)深度

圖6 交叉洞室開挖后工作斷面(樁號(hào)K0 +10)主應(yīng)力分布及塑性區(qū)深度

由圖5 和圖6 可知:樁號(hào)K0 +2 工作斷面應(yīng)力集中區(qū)主要分布在南側(cè)頂拱和北側(cè)拱腳附近區(qū)域，而松弛區(qū)主要分布在兩側(cè)邊墻，其中頂拱的高應(yīng)力區(qū)(σ1＞38 MPa)深度為0．2 ～1．0 m，邊墻的松弛區(qū)(σ3＜2 MPa)深度為0．3 ～0．7 m，頂拱和邊墻的塑性區(qū)深度分別為0．12 ～0．88 m 和0．28 ～0．78 m;樁號(hào)K0 +10 工作斷面應(yīng)力集中區(qū)同樣分布在南側(cè)頂拱和北側(cè)拱腳附近區(qū)域，而松弛區(qū)主要分布在兩側(cè)邊墻，其中頂拱的高應(yīng)力區(qū)(σ1＞38 MPa)深度為0．24 ～0．90 m，邊墻的松弛區(qū)(σ3＜2 MPa)深度為0．28 ～0． 64 m，頂拱和邊墻的塑性區(qū)深度分別為0．10 ～0．88 m 和0．20 ～0．75 m．計(jì)算結(jié)果說明樁號(hào)K0 +0—K0 +10 之間的工作斷面南側(cè)頂拱附近區(qū)域應(yīng)力集中顯著，同時(shí)左右邊墻應(yīng)力松弛也較為顯著［9－11］．

3 3DEC 數(shù)值模擬

3DEC 是一款基于離散單元法作為基本理論，描述離散介質(zhì)力學(xué)行為的計(jì)算分析程序． 計(jì)算中巖體同樣采用應(yīng)變軟化型摩爾－庫侖本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)面采用Coulomb-Slip 本構(gòu)模型，該模型能夠有效地模擬結(jié)構(gòu)面的變形和破壞，且能合理描述破壞后的力學(xué)行為．

應(yīng)用3DEC 分析軟件建立的交叉洞室右岸尾調(diào)通氣洞轉(zhuǎn)彎段(樁號(hào)K0 +0—K0 +10)的模型如圖7所示．其中層間錯(cuò)動(dòng)帶C4力學(xué)參數(shù):結(jié)構(gòu)面厚度為3．0 cm，綜合模量為0．27 GPa，抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角為0．46，有效黏聚力為0．14 MPa．裂隙力學(xué)參數(shù)中，裂隙①(圖7)的抗剪斷強(qiáng)度內(nèi)摩擦角為0．50、有效黏聚力為0．15 MPa;裂隙②(圖7)的抗剪斷強(qiáng)度內(nèi)摩擦角為0．50、有效黏聚力為0．10 MPa．

圖7 交叉洞室右岸尾調(diào)通氣洞轉(zhuǎn)彎段3DEC 模型

圖8 為交叉洞室南側(cè)頂拱坍塌的3DEC 數(shù)值模擬結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)坍塌情況．由圖可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際的坍塌情況吻合較好．

圖8 交叉洞室南側(cè)頂拱坍塌數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié) 語

1)該洞段最大主應(yīng)力方向與洞線夾角較大，角度稍陡，且該洞段頂拱距離層間錯(cuò)動(dòng)帶C4較近，位于錯(cuò)動(dòng)帶附近高應(yīng)力異常區(qū)范圍內(nèi)，再者該洞段屬于交叉口段，易引起二次應(yīng)力集中． 因此，在洞段的交叉口位置存在地應(yīng)力和層間錯(cuò)動(dòng)帶C4組合因素影響下的應(yīng)力集中問題．

2)在樁號(hào)K0 +0—K0 +10 洞段之間，南側(cè)頂拱發(fā)生較大規(guī)模的坍塌，塌落最大深度約2 m，破壞坑呈圓弧形，屬于高應(yīng)力和結(jié)構(gòu)面組合的應(yīng)力型坍塌破壞．

3)數(shù)值計(jì)算結(jié)果中顯示的高應(yīng)力區(qū)分布位置與現(xiàn)場(chǎng)坍塌位置基本保持一致，建議對(duì)具備類似應(yīng)力集中問題的交叉口及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，并注意強(qiáng)調(diào)錨桿墊板與鋼筋網(wǎng)的系統(tǒng)性，以防因破壞的時(shí)效性等因素引起的二次應(yīng)力破壞．

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