地下廠房洞室群巖體蠕變特性分析

馮 洋,張志增,胡江春

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

地下廠房洞室群巖體蠕變特性分析

馮 洋,張志增,胡江春

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

巖體蠕變是大型地下工程圍巖穩(wěn)定性分析中的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容,它為地下洞室群的長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究提供理論依據(jù).本文通過(guò)對(duì)某地下廠房洞室群近期監(jiān)測(cè)資料的分析,研究了其地下洞室群的蠕變特性,一方面豐富了蠕變分析的理論和方法,另一方面可以對(duì)該地下廠房洞室群在運(yùn)行期的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè).

地下工程;蠕變;穩(wěn)定性分析

近年來(lái),隨著各種大型地下洞室群工程的興建,地下洞室群圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題受到了人們的廣泛關(guān)注[1].由于巖體本身以及地下工程的復(fù)雜性,在地下工程的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行過(guò)程中,總是存在大量不可預(yù)見(jiàn)的因素.因此對(duì)地下洞室群穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究就顯得尤為重要[2].

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)地下洞室圍巖蠕變特性的分析方法有很多,大致可以歸納為解析法、數(shù)值分析方法、不確定性方法等[3].隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法在研究地下洞室圍巖應(yīng)力、變形、破壞,定量評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性方面具有十分明顯的優(yōu)越性,已成為解決地下工程設(shè)計(jì)和施工問(wèn)題的最有力工具[4].

由于地下工程的復(fù)雜性,圍巖蠕變分析不能依賴(lài)于單一方法,因此,依托計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行多種方法綜合評(píng)價(jià)分析,是未來(lái)發(fā)展的一種趨勢(shì).事實(shí)上,國(guó)外學(xué)者Griggs D T早在1939年便對(duì)灰?guī)r、頁(yè)巖和砂巖等進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)[5].此后,很多研究者相繼從各個(gè)不同方面進(jìn)行了巖石蠕變特性研究.而自20世紀(jì)50年代末起,特別是近20年來(lái),隨著國(guó)內(nèi)許多大型工程的興建,我國(guó)同行也深入開(kāi)展了對(duì)巖石蠕變特性的研究[6].徐平等對(duì)三峽花崗巖進(jìn)行了單軸蠕變?cè)囼?yàn),認(rèn)為三峽花崗巖存在一個(gè)應(yīng)力門(mén)檻值σs,當(dāng)應(yīng)力水平低于σs時(shí),采用廣義 Kelvin模型來(lái)描述三峽花崗巖的蠕變特性,當(dāng)應(yīng)力水平高于σs時(shí),采用西原模型描述,并給出了相應(yīng)的蠕變參數(shù)[7];許宏發(fā)通過(guò)對(duì)軟巖進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn),指出軟巖的彈模隨時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,與強(qiáng)度的變化規(guī)律具有相似性[8];沈振中、徐志英對(duì)三峽大壩地基花崗巖進(jìn)行了單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn),并采用Burgers模型來(lái)描述三峽大壩基巖的粘彈性性質(zhì)[9];朱定華、陳國(guó)興對(duì)南京紅層軟巖進(jìn)行了單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn),發(fā)現(xiàn)紅層軟巖存在顯著的流變性,符合Burgers模型[10];李曉對(duì)泥巖峰后區(qū)進(jìn)行三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn),首次得到了泥巖試件的峰后蠕變特性曲線[11].

本文主要對(duì)某地下廠房近期的位移監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析,研究圍巖的蠕變特性,一方面可以豐富蠕變分析的理論和方法,另一方面可以對(duì)該地下廠房洞室群在運(yùn)行期的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè),保證工程在運(yùn)行期的安全運(yùn)行.

1 巖體蠕變理論

在長(zhǎng)期荷載的作用下,工程巖體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、變形破壞特征均隨時(shí)間而不斷發(fā)生變化,即具有顯著的時(shí)間效應(yīng).研究巖體的蠕變特性對(duì)于合理解釋巖體工程的時(shí)效力學(xué)行為,掌握其應(yīng)力和變形規(guī)律,評(píng)價(jià)巖體與工程結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和運(yùn)行安全性等,都具有重要的意義.

巖體蠕變是指在恒定荷載的情況下,總應(yīng)變隨時(shí)間而增長(zhǎng)的現(xiàn)象.蠕變隨時(shí)間的延續(xù)大致分3個(gè)階段,如圖1所示.第一階段(a-b):減速蠕變階段.在此階段,應(yīng)變?cè)黾?但是應(yīng)變速率隨時(shí)間增加而減小,此時(shí)圍巖主要處于塑性變形階段.第二階段(b-c):等速蠕變階段.在此階段,應(yīng)變?cè)黾?應(yīng)變速率基本保持不變,圍巖處于穩(wěn)定塑性流變階段.第三階段(c-d):加速蠕變階段.此階段出現(xiàn)在應(yīng)力超過(guò)巖體蠕變極限應(yīng)力的條件下,特點(diǎn)是應(yīng)變速率隨時(shí)間增加而增加,并最終導(dǎo)致失穩(wěn)破壞.在地下工程中必須采取合適的支護(hù)手段,避免圍巖出現(xiàn)加速蠕變階段,促使圍巖保持穩(wěn)定.

圖1 巖體蠕變?nèi)A段

遺憾的是,等速蠕變階段何時(shí)進(jìn)入加速蠕變階段,學(xué)術(shù)界依然難以從理論上給出完美的解答.所以,當(dāng)巖體進(jìn)入等速蠕變階段,就需要預(yù)警,加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和支護(hù).

根據(jù)應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系的不同,蠕變可以分為2種類(lèi)型:①穩(wěn)定蠕變:低應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的蠕變,只經(jīng)歷第一階段蠕變(即減速蠕變階段),后期應(yīng)變趨于恒定,如圖2中的曲線B所示;②不穩(wěn)定蠕變:較高應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的蠕變,應(yīng)變隨著時(shí)間增加而持續(xù)增長(zhǎng),可能經(jīng)歷蠕變的3個(gè)階段,如圖2中的曲線A所示.

圖2 蠕變2種類(lèi)型

2 位移監(jiān)測(cè)資料的時(shí)效性分析

2.1 工程概況

某地下廠房洞室群規(guī)模巨大,主要由引水洞、主機(jī)間、母線洞、主變室、尾水調(diào)壓室和尾水洞等組成,主機(jī)間、主變室、尾水調(diào)壓室平行布置.地下廠房位于大壩下游約350 m的山體內(nèi),水平埋深約110～300 m,垂直埋深180～350 m.廠區(qū)主要巖性為大理巖,以 III1類(lèi)圍巖為主,飽和單軸抗壓強(qiáng)度為60～75 M Pa,地質(zhì)條件復(fù)雜,發(fā)育有三大斷層和4組優(yōu)勢(shì)節(jié)理,且廠區(qū)屬于極高-高地應(yīng)力級(jí)區(qū)域.不利的地質(zhì)條件、地應(yīng)力條件、巖性條件及工程結(jié)構(gòu)條件的組合,對(duì)地下廠房洞室群的穩(wěn)定性提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn).

2.2 監(jiān)測(cè)資料的分析方法

本文根據(jù)監(jiān)測(cè)資料(監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)截止2011年3月5日),重點(diǎn)分析了2010年11月4日至2011年1月4日和2011年1月4日至2011年3月5日的位移監(jiān)測(cè)資料.

根據(jù)時(shí)間-位移曲線圖的走勢(shì)和位移日增量(又稱(chēng)為位移增速、位移曲線斜率)的大小,對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)的每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析,將其蠕變特性分為3類(lèi):

(1)位移穩(wěn)定型.該類(lèi)型的時(shí)間-位移曲線接近水平,位移隨著時(shí)間增加而基本恒定,也可能因?yàn)橹ёo(hù)的作用而使得位移隨著時(shí)間增加而減小.位移穩(wěn)定型表示該測(cè)點(diǎn)屬于穩(wěn)定蠕變,安全性高.具體分類(lèi)時(shí),只要位移日增量不超過(guò)0.002 8 mm(對(duì)應(yīng)的位移年增量是1 mm)的測(cè)點(diǎn)都劃分為位移穩(wěn)定型.

(2)等速蠕變型.該類(lèi)型對(duì)應(yīng)典型蠕變曲線的第二階段(等速蠕變階段),位移隨時(shí)間增加而持續(xù)增加,并且位移增速基本保持不變,此時(shí),圍巖處于穩(wěn)定塑性流變階段.等速蠕變型表示該測(cè)點(diǎn)屬于不穩(wěn)定蠕變,安全性低.如果不加強(qiáng)支護(hù),隨時(shí)可能進(jìn)入蠕變第三階段(加速蠕變階段)而導(dǎo)致圍巖失穩(wěn),所以我們對(duì)這個(gè)類(lèi)型的測(cè)點(diǎn)提出預(yù)警.

(3)減速蠕變型.該類(lèi)型對(duì)應(yīng)典型蠕變曲線的第一階段(減速蠕變階段),位移隨時(shí)間增加而增加,但是位移增速隨時(shí)間增加而減小.該階段一般發(fā)生在從巖體開(kāi)挖至之后幾個(gè)月內(nèi).由于該階段既可能轉(zhuǎn)入蠕變第二階段(等速蠕變階段),也可能進(jìn)入位移恒定階段,并且該階段往往持續(xù)幾個(gè)月的時(shí)間,所以對(duì)該類(lèi)型的測(cè)點(diǎn)需要繼續(xù)觀察.

需要指出的是,在開(kāi)挖和支護(hù)等工程擾動(dòng)的情況下,上述3種類(lèi)型可能互相轉(zhuǎn)換.工程實(shí)踐中,我們總是對(duì)等速蠕變型的區(qū)域加強(qiáng)支護(hù),促使其向位移穩(wěn)定型轉(zhuǎn)換.

2.3 典型監(jiān)測(cè)斷面變形時(shí)效分析

本文以一典型斷面(廠縱0+126.8斷面)為例,對(duì)該斷面的位移監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析.該監(jiān)測(cè)斷面貫穿主廠房、主變室和1號(hào)尾調(diào)室,其中主廠房安裝有10套多點(diǎn)位移計(jì);主變室安裝有6套多點(diǎn)位移計(jì);1號(hào)尾調(diào)室安裝有5套多點(diǎn)位移計(jì).各儀器測(cè)點(diǎn)空間分布如圖3所示,位移資料統(tǒng)計(jì)及分析如表1所示.

圖3 廠縱0+126.8斷面各儀器測(cè)點(diǎn)測(cè)值空間分布

表1 廠縱0+126.8斷面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表1

由表1可以看出,主廠房監(jiān)測(cè)斷面穩(wěn)定性好,無(wú)測(cè)點(diǎn)屬于等速蠕變型.主廠房監(jiān)測(cè)斷面下游邊墻EL 1653部位M6ZCF4-1的L 5和孔口測(cè)點(diǎn)屬于減速蠕變型,需要繼續(xù)加強(qiáng)監(jiān)測(cè).主廠房監(jiān)測(cè)斷面其他點(diǎn)位移計(jì)各測(cè)點(diǎn)均屬于位移穩(wěn)定型.由以上結(jié)果可知,主廠房監(jiān)測(cè)斷面整體穩(wěn)定性好、安全性高;下游邊墻 EL 1653部位的穩(wěn)定性需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè).

主變室監(jiān)測(cè)斷面,無(wú)測(cè)點(diǎn)屬于等速蠕變型.下游拱腳部位 M4PS1-16的 L 1測(cè)點(diǎn),下游邊墻 EL 1668部位M4PS2-8的 L 1、L 3、L4 測(cè)點(diǎn) ,下游邊墻 EL1653 部位M4ZBS4-3的所有測(cè)點(diǎn)屬于減速蠕變型,需要繼續(xù)觀察其發(fā)展趨勢(shì).主變室監(jiān)測(cè)斷面其他多點(diǎn)位移計(jì)各測(cè)點(diǎn)均屬于位移穩(wěn)定型.根據(jù)以上結(jié)果,主變室監(jiān)測(cè)斷面的頂拱及上游邊墻穩(wěn)定性好、安全性高;下游拱腳和下游邊墻的穩(wěn)定性差、安全性低,是需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和支護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域.

1號(hào)尾調(diào)室監(jiān)測(cè)斷面,屬于等速蠕變型,需要預(yù)警的測(cè)點(diǎn)有頂拱M4TYS4-2的孔口測(cè)點(diǎn).主變室監(jiān)測(cè)斷面上無(wú)測(cè)點(diǎn)屬于減速蠕變型,其他多點(diǎn)位移計(jì)各測(cè)點(diǎn)均屬于位移穩(wěn)定型.由以上結(jié)果可知,1號(hào)尾調(diào)室監(jiān)測(cè)斷面整體穩(wěn)定性好、安全性高;拱頂部位的穩(wěn)定性差、安全性低,是需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和支護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域.

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)某地下廠房洞室群的長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題,進(jìn)行了監(jiān)測(cè)資料的蠕變性分析研究.主要結(jié)論如下:

(1)研究了位移監(jiān)測(cè)的分析方法,根據(jù)時(shí)間-位移曲線圖的走勢(shì)和位移日增量的大小,將巖體蠕變特性分為三類(lèi):位移穩(wěn)定型、等速蠕變型和減速蠕變型.

(2)該地下廠房在運(yùn)行期的整體穩(wěn)定性較高.分析其原因,應(yīng)該是隨著支護(hù)和灌漿工作的深入,松動(dòng)圈逐步向承載圈轉(zhuǎn)化,錨固和灌漿的支護(hù)加固體系開(kāi)始聯(lián)合發(fā)揮積極的作用.

(3)對(duì)于仍然處于減速蠕變型和等速蠕變型的區(qū)域,需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和支護(hù).

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Study on the Creep Property of Underground Powerhouse Cavities

FENG Yang,ZHANG Zhi-zeng,HU Jiang-chun
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Rock creep is very important research content of the surrounding rock stability analysis in a large underground engineering.It provides theoretical foundation for long-term stability and reliability study of the underground cavities.Thispaper analyzes the recentmonitoring data and studies the underground cavitiescreep properties,enriches creep analysis theory and method,and also analyses and forecast underground workshop cavities stability of operation period.

underground engineering;creep;stability analysis

U 453.2

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.03.001

1671-6906(2011)03-0001-05

2011-05-20

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51074196)

馮 洋(1987-),男,河南焦作人,本科生;指導(dǎo)教師:張志增(1981-),男,河南安陽(yáng)人,講師,博士.