２０１９年１月 水利水电快报 ＥＷＲＨＩ 第４０卷第１期
文章编号:１００６－００８１(２０１９)０１－００２７－０５
基于开挖卸荷效应的地下洞室围岩稳定性分析
蔡 健ꎬ刘 霞
(湖北省水利水电科学研究院ꎬ湖北武汉 ４３００７０)
摘要:在地下洞室实际施工过程中ꎬ围岩处于复杂的应力路径中ꎮ基于开挖卸荷理论ꎬ以某抽水蓄能
电站地下进厂交通洞为研究对象ꎬ结合室内试验与三维有限元数值模拟ꎬ对洞室位移应力的分布规律及整体稳定性进行综合评价ꎮ分析表明ꎬ考虑开挖卸荷效应洞室围岩变形能较好地反映围岩的稳定性ꎮ室内试验与数值模拟相结合的分析方法对类似工程具有一定参考价值ꎮ
关键词:围岩稳定性ꎻ开挖卸荷效应ꎻ三维有限差分法ꎻ地下洞室ꎻ抽水蓄能电站
中图法分类号:ＴＵ４５ 文献标志码:Ａ ＤＯＩ:１０.１５９７４/ｊ.ｃｎｋｉ.ｓｌｓｄｋｂ.２０１９.０１.００５
１ 研究背景
(坝)基等工程建设中不可避免的重大问题之一ꎮ岩石力学理论无法较好解释的工程问题ꎬ如金川边久船闸高边坡为研究对象ꎬ创新性地提出了卸荷岩体力学的概念ꎮ在其后的研究过程中ꎬ岩体卸荷力学特性越来越受到重视ꎬ针对一些重要的工程岩体问题开展了诸多研究ꎬ如三峡工程船闸高边坡及地下厂房、拉西瓦水电站及锦屏水电站等高地应力区高边坡和深埋地下厂房或引水隧洞等工程开挖卸荷稳定性问题
[２－７]
申等[９]对小浪底水利枢纽地下工程的支护效果进行了数值模拟ꎬ通过不同的支护方案对比ꎬ分析了锚索、锚杆以及混凝土衬砌对围岩变形和稳定的影响ꎮ
虽然地下洞室围岩稳定性的数值模拟技术已经较为成熟ꎬ但考虑开挖效应的地下洞室稳定性评价的实例不多ꎬ有必要进行相关研究ꎮ基于此ꎬ本文结合室内实验ꎬ针对某抽水蓄能电站的进厂交通洞ꎬ采用三维有限元法ꎬ分析开挖后洞室围岩的应力场、位移场ꎬ评价洞室开挖后洞室围岩的整体稳定性ꎬ相关成果可为类似工程提供设计参考ꎮ
卸荷岩体力学问题是高陡边坡、地下洞室、路
２０世纪９０年代ꎬ针对工程岩体中出现的较多常规坡、链子崖边坡的大变形等ꎬ李建林等[１]以三峡永
２ 三轴加卸载蠕变试验
２.１ 试验设备
该试验所使用的仪器主要有岩石切割机(见图１)、电子天平、数显游标卡尺、ＰＣＩ－２声发射检(见图３)ꎮ
测仪(见图２)以及ＲＭＴ－１５０Ｃ岩石力学试验系统
室内实验的三轴流变试验部分基于ＴＯＰＩＮ￣
基于计算机性能的提高ꎬ数值仿真分析方法迅速发展ꎬ并在岩土工程的设计和研究中得到广泛应用ꎮ三维快速拉格朗日分析(ＦＬＡＣ３Ｄ)采用显式有限差分格式来求解场的控制微分方程ꎬ同时应用混合单元离散模型ꎬ对于模拟材料的塑性流动、弹塑性分析、大变形分析及模拟施工过程等有其独具的优点ꎮ国内许多学者采用软件对地下厂房洞室群开挖、支护进行了数值模拟ꎮ张练等[８]模拟了水布垭地下厂房施工开挖的不同方案ꎬ对比研究了软岩置换和喷锚支护措施对围岩稳定性的改善作用ꎮ朱维
ꎮ
ＤＵＳＴＲＩＥ自适应自动岩石三轴试验机ꎬ该设备是一套多功能的精密仪器设备ꎬ可用于岩石(见图４)和混凝土等材料的力学实验ꎮ
２.２ 室内三轴卸围压流变试验曲线
三轴卸荷流变试验采用定轴压逐级卸围压的流
收稿日期:２０１８－１１－０７
作者简介:蔡 健ꎬ男ꎬ工程师ꎬ主要从事岩土工程和水工结构工程研究ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｃａｉｊｉａｎｃｊｊ＠１６３.ｃｏｍ
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图１ 岩石切割机
图２ ＰＣＩ－２声发射检测仪
图３ 多功能岩石三轴测试系统
图４ 室内试验制备岩样
变试验方案ꎮ该试验在围压为５５ＭＰａ时进行ꎬ花岗岩试样在逐级加卸载下的轴向蠕变曲线、侧线蠕变曲线及应力时程变化曲线特征如下(见图５~８):明显不同的是ꎬ除第一级荷载外ꎬ在其余各级荷载作用下蠕变曲线均呈现出衰减蠕变和稳态蠕变的特征ꎬ且与常规三轴蠕变试验相比ꎬ卸围压蠕变试验的蠕２８
变变形显著增加３ꎮ
３５ａ２０／ＭＰ２５１０１５０５００ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ／ ｈ ３００ ３５０ ４００ ４５０ ５００图５ 三轴卸荷试验围压与时间关系曲线
００．１０．８
／％０．１６０．１４０．１１２００．０８０．０．０．０６０４２００ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ／ ｈ
３００ ３５０ ４００ ４５０ ５００
图６ 三轴卸围压流变试验轴向蠕变曲线
００．１０．４０．１２０．１００．００８６０．．００４２００ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ／ ｈ ３００ ３５０ ４００ ４５０ ５００图７ 三轴卸围压流变试验侧向蠕变曲线
５４０
４５３０３５２０２５１０１５０５００ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ／ ｈ
３００ ３５０ ４００ ４５０ ５００
图８ 三轴卸围压流变试验轴向应力曲线
根据图(１)在常规三轴压缩蠕变试验中５~８可知:
变变形不大ꎬ瞬时变形占总变形量的９０％ꎬ花岗岩的蠕
以上ꎮ但
在同等围压条件下ꎬ随着应力水平的提高ꎬ轴向蠕变变形呈增加趋势ꎮ
蠕变特征(２)在低应力水平作用下ꎻ在较高应力水平作用下ꎬ花岗岩只呈现衰减
ꎬ会出现稳态蠕变阶段ꎬ蠕变速率开始时最大ꎬ然后逐渐减小ꎬ最后减至一定值时以恒定速率发展ꎻ只有在接近长期强度的高水平应力作用下ꎬ花岗岩才会呈现出加速流变
蔡 健等 基于开挖卸荷效应的地下洞室围岩稳定性分析
特征ꎬ并且加速阶段的蠕变速率可用幂率型的函数形式来描述ꎮ
(３)在卸围压状态下ꎬ围压的降低不仅会显著
提高蠕变变形量ꎬ而且会改变花岗岩的蠕变变形形态:在卸围压蠕变过程中ꎬ瞬时变形只占总变形量的
６０％~７０％ꎬ比重明显降低ꎬ且均可观测到明显的稳态蠕变过程ꎮ卸围压流变具有明显的类似软岩流变的特点ꎮ
(４)卸围压状态下ꎬ稳态蠕变速率随着与初始图９ 三维模型网格
围压差值的增大而显著提高ꎮ
曲线(５)ꎬ为岩石粘弹塑性流变模型的建立和辨识提供在三轴流变试验机上获得的三轴流变试验
了可靠的试验资料ꎮ
３ 三维有限差分法计算理论
３.１ 工程概况及计算模型３.１.１ 某工程位于皖南山区工程概况
ꎮ现有公路Ｘ０８６县道从
工程区穿过ꎬ沿着Ｘ０８６县道可直达绩溪县城ꎬ距县城里程２９ｋｍꎬ距黄山市公路里程８８ｋｍꎮ电站枢纽主要由上库、下库、输水系统、地下厂房及开关站等建筑物组成ꎮ装机容量１８００ＭＷꎬ安装６台单机容量为３００ＭＷ的可逆式抽水蓄能机组ꎬ电站建成后主要服务于华东电网ꎮ进厂交通洞是地下厂房主要运输交通通道ꎬ也是厂房的进风通道ꎬ施工期作为厂房中部开挖的施工通道ꎮ进厂交通洞洞口布置在下１水库６７９.库５８岸ｍꎬ公城路旁门ꎬ洞从型安ꎬ装断场面端净部尺进寸入为厂７.房８ꎬ长ｍ约
×２４８.７.８ｍ(２０宽下库库区出露地层为元古界震旦系下统休宁组
ｍꎬ交通洞平均坡度×高)ꎮ洞口高程６.３５０.０８％３５ꎮ
ｍꎬ安装场高程(Ｚ１ｘ)(３))ꎬ中段碎屑岩以及燕山晚期侵入的花岗岩第四系覆盖层零星发育(γ５３要分布于冲沟、坡脚和地势宽缓地带ꎬ以崩ꎮ
、坡积为主ꎬ主３.１.２ 根据进厂交通洞入口段地下洞室布置及运行的
计算模型
特点ꎬ对该范围地下洞室群围岩稳定进行整体三维数值仿真计算ꎬ模型见图９ꎮ计算域范围:沿洞轴线１０方向长平面布置图粗线范围内４０５.１ｍꎬ垂直洞轴线方向宽ꎮ１３７.７ｍꎬ见图
岩石物理性质采用室内试验与工程类比法相结
合得出的参数见表１~２ꎮ
４００
图１０ 进厂交通洞平面布置(单位:ｍ)
表１ 岩石物理性质指标取值
岩层Ｅ/ＧＰａμＣ/ＭＰａφ/(°)γ/(ｇｃｍ－３)
全风化１.２００.３８０.４２２２.１３强风化１.８００.３５０.４２８２.１８弱风化上２.０００.３２８.５３０２.２弱风化下４.０００.２７１２３５２.５２微风化２０.０００.２０３５４２２.７１断层
０.１３
０.４２
０.０２５
２０
１.２８
表２ 岩石蠕变参数取值
岩层区域
μ
Ｅ弱风化弱卸荷区０.３２５０１.ＧＰａ
Ｍ/
４(ＧＰａｄ)
ηＭ/Ｅ３.４１×１０５ＧＰａ
ｋ/(ＧＰａｄ)
ηｋ/弱风化强卸荷区０.３４５０１.４４１×１０５５.断层弱卸荷区０.４２１.９６７０５.０１０１×４.×１０００１０２２３.３.４１４１×３０
×１０１０５３.５
断层强卸荷区
０.４９
１.９６
７０
４.００
３０
主要考虑以下计算工况(１)考虑卸荷效应开挖工况ꎮ
限元计算洞室开挖后未加固工况ꎮꎮ按常规弹塑性有
考虑到边坡的实际开挖情况及卸荷效应ꎬ采用分段开挖ꎬ计算中模拟了边坡的开挖情况ꎮ本工况采用初始力学参数计算ꎬ目的是了解最终开挖完成时洞室岩体应力场和ａ洞室变形的情况内的洞室变形ꎮ
ꎮ同时考虑岩体蠕变情况ꎬ计算５０
卸荷区前后的位移(２)未考虑卸荷效应开挖工况、塑性区变化ꎬ分析卸荷作用对洞ꎮ通过对比增加
室开挖的影响ꎮ
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３.１.３ 边坡卸荷岩体力学参数
由图１１可知ꎬ洞室开挖结束后ꎬ由于应力释放ꎬ围岩产生指向洞室内部的回弹变形ꎮ顶拱及底板以竖向位移为主ꎬ边墙以水平位移为主ꎮ水平位移最大值达到２.５７ｍｍꎬ发生于断层侧墙的中等高度附近ꎮ底板最大回弹量为５０ｍｍꎮ随着洞室的开挖ꎬ岩体中的塑性区逐渐加大ꎬ主要位于软弱断层处ꎬ因此断层开挖在施工时应引起足够的注意ꎬ及时采取支护措
％
边坡开挖后ꎬ初始应力场发生了变化ꎬ岩体质量
劣化ꎬ节理连通率增加ꎬ岩体受到损伤ꎬ抗拉强度降低ꎬ卸荷岩体力学参数发生了较大变化ꎮ
根据卸荷岩体力学原理与方法ꎬ开挖卸荷工况边坡卸荷岩体的变形模量应适当降低ꎬ参照«卸荷岩体力学原理与应用»[１０]ꎬ其降低百分比见表３ꎮ
表３ 边坡岩体卸荷后变形模量减低百分比
施ꎮ由于花岗岩质地坚硬ꎬ施工前已经挖除洞口全风卸荷量百分比
变模降低百分比
卸荷量百分比变模降低百分比
３０<３０
７３ ５０~具体计算时~５０８０１３０
８０ꎬ以初始应力场与开挖完成后的应
４７０~~１００σσｔ８７ｔ
９３
力场进行比较计算ꎬ得到各岩体的卸荷百分比ꎬ再根据初始力学参数值得到卸荷后各区域卸荷岩体的力学参数值ꎮ
３.２ 三维有限差分法各工况计算３.２.１ 开挖洞室穿过断层考虑卸荷效应开挖工况
ꎬ主要分布在弱风化上和弱
ｍ风化下区域和１０ｍ两个卸荷区ꎮ共分为７ꎮ段开挖其中１ꎬ２ꎮ每段洞室外层设５
余各段开挖塑性区对比见图１１ꎮ
段未有塑性区ꎬ其图１１ 洞室开挖工况塑性区
３０
３.化带２.２ ꎬ因此洞口处未出现明显的塑性区未考虑卸荷效应开挖工况ꎮ
开挖洞室穿过断层ꎬ主要分布在弱风化上和弱风
化下区域ꎮ共分为７段开挖ꎮ此次计算不考虑卸荷作用的情况ꎬ以便与上节考虑卸荷作用的开挖进行对比ꎬ监测点的位移及塑性区分布如图１２所示ꎮ
图１２ 横剖面局部位移
根据卸荷岩体力学理论ꎬ洞室开挖过程为应力释放过程ꎬ也就是卸荷过程ꎮ洞室位移场、塑性区变化明显有别于加载岩石力学理论计算结果ꎮ在不考虑卸荷作用的情况下ꎬ洞室最大位移发生在断层洞顶处ꎬ达７.２１ｍｍꎮ塑性区位于断层处ꎮ与考虑卸荷工０.况相比３２ｍｍꎬꎬ不考虑卸荷作用情况下水平最大位移减少了
减少了４.２５％ꎮ塑性区分布区域减小ꎮ４ 结 论
本文通过室内试验和有限元数值模拟对某抽水蓄能电站进厂交通洞进行稳定性分析ꎬ较系统地研究了考虑卸荷工况与不考虑卸荷工况下护洞室围岩的变形及塑性区ꎬ验证了卸荷效应理论对于地下洞室围岩稳定性研究的可靠性(１)在不考虑卸荷作用的情况下ꎬ主要结论如下ꎬ洞室最大位
ꎮ
蔡 健等 基于开挖卸荷效应的地下洞室围岩稳定性分析
移发生在断层洞顶处达到７.２１ｍｍꎬ塑性区位于断ｍｍꎬ水平位移最大值达到２.５７ｍｍꎬ发生于断层侧墙的中等高度附近ꎬ与不考虑卸荷作用情况下水平最大位移减少０.３２ｍｍꎬ减少４.２５％ꎬ塑性区分布区域减小ꎮ因此在地下洞室开挖过程中有必要考虑围岩卸荷效应ꎮ
(２)本文主要针对的是硬岩(花岗岩)的室内试层处ꎮ而考虑卸荷效应情况下ꎬ底板最大位移为５０
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验ꎬ后面将进一步研究不同岩性岩体的卸荷流变试
验ꎬ并且基于试验结果建立不同岩性岩体卸荷流变本构模型ꎬ用于数值模拟中ꎮ在模型的建立上ꎬ受限于计算的效率ꎬ网格的划分较为粗略ꎮ所用本构模型是基于有限元自带模型ꎬ今后将立足于自建模型对有限元软件进行二次开发ꎬ使数值模拟结果更符合工程实际对地下洞室的安全稳定性进行评价(３)结合室内试验与数值模拟的方法能较好地
ꎮ
ꎬ相关研究思路可为后续类似工程提供一定的参考价值ꎮ
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