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层间错动带对导流隧洞围岩稳定性影响研究

作者:刘强,吴文兵,段隆臣,符文  发布:2015/9/10  浏览:
单位:中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心,中国地质大学(武汉)工程学院

摘 要:层间错动带是影响导流隧洞围岩稳定性的主要地质构造之一,研究层间错动带在导流隧洞不同部位出露时对导流隧洞开挖后的稳定性及支护参数选取的影响具有相当重要的工程意义。基于FLAC3D软件,采用数值分析方法模拟了层间错动带分别在导流隧洞不同部位出露时,导流隧洞围岩稳定性的情况。结果表明,当层间错动带在起拱线以上到拱顶之间出露时,对导流隧洞围岩稳定性影响最大。随后,针对层间错动带给出的支护方式及支护参数进行数值分析,论证其支护方案的可行性。

0  引言

在深山高峡谷地区修建水利枢纽时,采用隧洞导流是常用的导流方式。由于导流隧洞通常断面尺寸大,常需要采用钢筋混凝土衬砌,修建隧洞的投资相当高。因此,导流隧洞的稳定性问题是工程中亟待研究的课题。

张文倬首先对导流隧洞的布置、堵头稳定性等问题进行了初步探索;伍鹤皋和苏凯等在总结国内外导流隧洞封堵设计一般原则的基础上,对堵头稳定性校核的各种理论进行了探讨,并分析了有限元强度折减法在导流隧洞稳定性分析中的可能性;进一步,刘波等对导流隧洞钢拱架与喷锚支护体系的围岩位移和塑性区范围及支护应力进行了深入分析;周家文等基于糯扎渡水电站工程,探索了断层影响带对导流隧洞围岩位移和应力的影响;杨静安等采用非线性有限元分析方法,对功果桥水电站导流隧洞施工全过程进行了较为全面的仿真计算分析;赖小玲等对潘口水电站导流隧洞洞身段围岩及衬砌稳定性进行了分析。尽管关于导流隧洞的研究已经比较多,但由于工程地质条件的复杂性,关于一些特殊地质条件(如层间错动带等)对导流隧洞的影响研究仍不充分。

层间错动带是历史的区域性构造运动顺着层状岩体中若干彼此平行的弱层受剪切作用后留下的一组厚薄不一、间距不等的永久变形痕迹,具有结构疏松、粒间连接弱的特点。国内外许多学者针对错动带对地基边坡及地下洞室稳定性的影响开展了许多研究,但目前关于层间错动带对导流隧洞围岩稳定性的研究仍很少。基于此,本文采用FLAC3D软件,研究层间错动带在导流隧洞中的不同出露部位对导流隧洞围岩各个部位稳定性的影响,在此基础上,对最危险部位提出支护方法和支护参数,并通过数值模拟分析验算支护方案是否可行。

1  地质概化模型与计算条件

1.1  导流隧洞的布置及地质条件

西南某水电站的坝高为289m,电站总装机容量为12600MW,总库容为179.24亿。导流隧洞共布置有5条,左岸3条,右岸2条。5条洞线均呈双弯、平线布置。本文以3号导流隧洞出露的层间错动带C2为例,导流隧洞洞身断面采用17.5m×22.0m城门洞形,进口高程为585.000m,出口高程为580.000m,洞长1584m

层间错动带C2总体上平直,产状N40°~50°ESE15°~20°,带内泥夹岩屑的平均厚度为30cm,凝灰岩的平均厚度为120cm,在导流隧洞出露的桩号为K0+920K1+030

该导流隧洞的开挖方法如下:洞身自上而下分3层进行开挖支护,Ⅰ层开挖考虑到开挖机械性能及支护施工的需要,先开挖中导洞,再两边扩挖,确定开挖高度为68m;Ⅱ层开挖高度为1214m;Ⅲ层主要为保护层开挖,开挖高度为24m。上层开挖支护完成后才能对下一层进行开挖。开挖基本原则为:短进尺、弱爆破、少扰动、超前锚、勤测量、紧封闭、强支护。

1.2  计算模型及材料参数

由于层间错动带穿过导流隧洞轴线方向的尺寸远大于径向方向的尺寸,可以把空间问题简化为平面问题,沿隧道轴线方向取单位宽度,分别取层间错动带在导流隧洞出露的不同区段,共分为5个工况,前4个工况依次为在拱顶、拱脚、边墙中部、边墙底板出露,工况5不考虑层间错动带用于对比分析,分别对开挖围岩进行稳定性分析。根据导流隧洞的几何尺寸,模型计算范围为:上边界为拱顶以上54m,下边界为底板以下40m,左、右边界取边墙以外50m

根据围岩发生的变形情况以及围岩的材料特性,上、下盘的玄武岩以及中间的泥岩采用莫尔-库仑强度准则。计算模型边界条件采用位移约束,底部边界在垂直方向上约束,左、右边界在水平方向上约束,前、后边界在平行隧道轴线方向上约束。该模型包含1104个单元和1719个节点。其各工况计算模型如图1所示。

 

1  各工况计算模型

通过工程区现有围岩应力实测资料,随埋深应力增加,此段导流隧洞埋深为320m左右,此洞段围岩竖直应力为8.4MPa,最大水平主应力为13.8MPa,最小水平主应力为11.3MPa,水平主应力方位S27°E。此段导流隧洞的轴线方向为NS向,综合考虑计算后,加载到模型水平x轴方向的应力11.9MPay轴方向的应力为13.2MPaz轴方向的应力为8.4MPa,考虑了初始自重应力场对模型的影响。

依据已有的岩体力学试验结果,对岩体和层间错动带的力学参数进行了综合评价,选取计算参数如表1所示。

1  岩体力学参数

 

2  计算结果分析

2.1  变形场特征

工况1的变形矢量如图2所示,从图中可以看出,拱顶沉降较大,底板中部会出现拱起现象,拱脚和边墙中部的水平位移较大。

不同工况下拱顶、拱脚、边墙中部、底板中部4个部位的不同位移值如图3所示。拱顶表示的位移方向为垂直向下,底板中部位移为垂直向上,拱脚和边墙中部表示的是水平向隧洞内方向的位移。

 

2  工况1的围岩位移矢量

 

3  各工况下围岩各代表点位移值

对图中各数据横向比较,发现当层间错动带在拱顶处出露时,拱顶的沉降量最大,拱脚和边墙中部的水平位移也较大;当层间错动带在拱脚处出露时,拱脚处的水平位移较大;当层间错动带在边墙中部处出露时,底板拱起现象最严重。

2.2  应力场特征

工况1的围岩应力变化云图如图4所示,从图4a中可以看出,水平方向底脚应力最大,拱顶应力较小。从图4b可以看出,垂直方向底脚应力最大,底板中部应力次之,拱顶应力最小。导流隧洞拱顶、拱肩与各边墙交线出现应力集中区,两侧边墙出现应力降低区,但没有出现拉应力。

各工况下导流隧洞不同部位应力如表2所示。对比没有错动带时导流隧洞应力情况,发现当层间错动带在拱顶和拱脚出露时,对底脚处应力影响较大;当层间错动带在中部出露时,对底脚和边墙影响较大;当层间错动带在底板出露时与工况5对比,应力没有变化。

 

4  工况1应力变化特征

2  各工况下围岩各代表点应力值

 

2.3  塑性破坏区特征

围岩的塑性破坏区主要出现在导流隧洞四周,以剪切破坏为主。拱脚附近和底板塑性破坏区相对较大,左边墙塑性区明显多于右边墙。查看各工况发现:当错动带在拱顶出露时,塑性区范围较大,主要出现在拱顶以上,边墙中部附近,塑性区的深度在4.0m左右;当错动带在拱脚出露时,塑性区部位主要在拱脚以下,塑性区的深度在6.0m左右;当错动带在中部出露时,塑性区主要在拱脚以上,塑性区最大深度在2m左右;当错动带在底板出露时,与工况5对比发现,塑性区没有明显变化,主要出现在边墙中部处,范围不大。

根据导流隧洞开挖后位移变化规律和围岩应力重分布的规律,当错动带在拱脚以上出露时,底板与各边墙交线出现应力集中区明显大于没有错动带出露的情况,围岩塑性破坏区的分布和这一规律有较好的一致性。表明当错动带在拱脚以上出露时,对导流隧洞稳定性影响最大。

3  支护数值模拟

3.1  支护参数选取

通过上文分析可知,当层间错动带在拱脚以上出露时对导流隧洞稳定性影响最大。因此,通过工程类比法提出以下初期支护方案:喷28mm厚混凝土;9m长Φ32预应力锚杆与6m长Φ28砂浆锚杆,每隔1m交替布置在拱顶;拱脚分别布置49m长Φ32砂浆锚杆;用6mΦ28砂浆锚杆与4.5mΦ25砂浆锚杆间隔1m交替对称布置在边墙;钢拱架布置在起拱线以上;拱顶采用Φ6.5挂网钢筋。

采用锚杆单元对导流隧洞进行分层开挖和支护模拟,每开挖一层立即进行支护模拟,然后再进行下一层开挖。

3.2  支护计算结果分析

采用FLAC3D软件对导流隧洞支护后拱顶沉降、底板上翘、拱脚和边墙中部水平位移随时间变化进行了分析。结果表明,分步开挖时沉降加大,支护后沉降趋于稳定,拱顶的最终沉降量为1.97cm,底板中部上翘1.36cm,拱脚水平位移1.79cm,边墙中部位移2.19cm。对比未支护工况1,关键部位的位移明显较少,对围岩的变形起到了一定的控制作用。

经计算,工况1在支护后围岩应力值明显减小,满足规范要求,因此在施工过程中要及时支护,从而减少围岩变形。

由计算结果可以看出,经过支护后,过去出现的屈服面现在已离开屈服面,处于弹性范围;仅边墙中部很少一段处于塑性区,在施工时应予以监测。导流隧洞整体处于稳定状态。

4  结语

针对层间错动带在导流隧道出露部位的不同,对导流隧洞围岩稳定性进行分析,得到以下结论。

1)当层间错动带在中部出露时,边墙和底板的应力较大,塑性区以剪切破坏为主,底脚位移较大;当层间错动带在底板以下出露时,对比没有错动带时导流隧洞的位移场、应力场和塑性区基本相同。

2)当层间错动带在起拱线以上出露时,导流隧洞的拱脚和拱顶的位移较大,应力集中,拱肩塑性区明显加大,容易产生片帮、掉块,对导流隧洞影响最大,尤其对拱顶的位移应该加强监测。

3)当层间错动带在拱顶出露时,通过FLAC3D对导流隧洞支护后稳定性进行分析,计算结果表明,支护方案和支护参数基本可行。建议施工时辅以监控量测手段,以进一步判断围岩是否稳定,并及时修正设计参数。

转自:《施工技术》

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