大型地下水封洞庫主洞室穩(wěn)定性研究

李云鵬

（惠州國儲石油基地有限責(zé)任公司，廣東惠州516080）

大型地下水封洞庫主洞室穩(wěn)定性研究

李云鵬*

（惠州國儲石油基地有限責(zé)任公司，廣東惠州516080）

地下洞室的穩(wěn)定性問題是地下洞室設(shè)計、施工所需面對的一個核心問題，通過對洞室圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，可以了解洞室開挖后圍巖的應(yīng)力重分布狀態(tài)、變形情況，分析出洞室圍巖是否發(fā)生塑性變形及塑性區(qū)范圍，為洞室的尺寸、軸線方向、洞室間距等設(shè)計及洞室開挖方法及順序提供參考。采用數(shù)值計算方法對大型水封石油洞庫的一個主洞室進(jìn)行分析，模擬實際的開挖工序，分析了不同等級巖體內(nèi)不同截面形狀、不同截面尺寸地下洞室圍巖的應(yīng)力、變形分布情況及其穩(wěn)定性。

水封洞庫；圍巖；尺寸；形狀；巖體等級

1 概述

國際上的石油儲備庫分為地上油庫和地下油庫2種，而作為大規(guī)模的儲備庫多以地下油庫為主。地下油庫分為2種，一種是水封巖石洞庫，另一種是鹽巖洞庫。水封巖石洞庫的儲油原理是在穩(wěn)定的地下水位線以下一定的深度，通過人工在地下巖石中開挖出一定容積的洞室，利用穩(wěn)定地下水的水封作用密封儲存在洞室內(nèi)的石油。鹽巖庫則是利用埋藏在一定深度的鹽巖，其孔隙率和滲透率幾乎等于零，具有很好的氣密性和液密性，在鹽巖中沖刷出來的洞穴中儲存石油。這兩種形式的地下庫在國外已建造了很多，如北歐多花崗巖體，多采用水封巖石洞庫，美國、加拿大等有厚鹽巖層的國家多建鹽巖洞庫。

地下水封巖石洞庫最先出現(xiàn)在瑞典、挪威等北歐國家，現(xiàn)在僅在斯堪的納維亞地區(qū)就建有200多座地下水封巖石原油庫，總庫容達(dá)1830×104m3。日本建有3座地下水封巖石原油庫，總庫容500×104m3。美國建有5個地下鹽巖洞庫，總庫容達(dá)到1×108m3以上[1]。我國于20世紀(jì)70年代在山東黃島成功建設(shè)了一座15×104m3的地下水封油庫，至今運營狀況良好，可以作為地下水封油庫選址的范例。但是，要應(yīng)對當(dāng)前地下水封油庫動輒數(shù)百萬方大庫容、大跨度、高邊墻的工程特點，從理論上系統(tǒng)地研究大型地下水封洞庫主洞室群穩(wěn)定性已成為我們刻不容緩的任務(wù)[2-3]。

本文采用FLAC3D數(shù)值分析軟件對大型水封石油洞庫的一個主洞室進(jìn)行分析，模擬實際的開挖工序，分析不同等級巖體內(nèi)不同形狀和不同尺寸洞室圍巖的應(yīng)力、變形情況與穩(wěn)定性。

2 計算方法與原理

FLAC3D軟件是大型顯式有限差分?jǐn)?shù)值計算軟件，F(xiàn)LAC是Fast Lagrangian Analysis of Continua縮寫，可翻譯為連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析，是由美國名尼蘇達(dá)ITASCA咨詢集團(tuán)于1986年研制推出。它應(yīng)用了結(jié)點位移連續(xù)的條件，可以對連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行大變形分析，同時FLAC3D又可以對地下水產(chǎn)生的滲流場進(jìn)行模擬計算，可以實現(xiàn)水巖（土）相互作用的耦合分析。

FLAC3D軟件采用拉格朗日方法運算，按時步采用動力松弛的方法來求解，不需要形成剛度矩陣，不用求解大型聯(lián)立方程組，占用內(nèi)存較少，便于用微機(jī)求解大型工程問題。

運用FLAC3D軟件進(jìn)行一個工程的模擬分析計算，須確定問題的3個基本元素，即：網(wǎng)格模型、材料本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)、模型的邊界和初始條件。網(wǎng)格模型確定問題的幾何形狀；本構(gòu)關(guān)系和材料參數(shù)要求模型再現(xiàn)“干擾”（比如，由于開挖的變形響應(yīng)）的響應(yīng)類型；邊界和初始條件一般定義原位狀態(tài)。在FLAC中，在這些條件確定后，首先為模型進(jìn)行初始平衡狀態(tài)的計算，然后進(jìn)行改變（例如，開挖或改變邊界條件），接著進(jìn)行計算模型的結(jié)果響應(yīng)。FLAC軟件應(yīng)用精確時步方法解決代數(shù)方程，在一系列計算布置后，獲得計算答案。在FLAC中，解決問題的時步數(shù)目可以由代碼自動控制或用戶人工控制，在分析洞室穩(wěn)定性的時候，一般均把洞室圍巖看作均質(zhì)各向同性介質(zhì)，通過弱化巖體參數(shù)的方法來表現(xiàn)節(jié)理裂隙的影響。

3 數(shù)值計算

3.1 計算模型

洞室截面形狀采用直墻圓拱形和斜墻圓拱形兩種，如圖1所示，每種斷面形狀都計算了3種不同的截面尺寸，如表1所示。

圖1 洞室截面形狀

表1 洞室斷面尺寸

模型尺寸為100mm×200mm×190m，x軸垂直洞室軸線方向，y軸平行軸線方向，z軸為豎直方向，模型以y=0和x=0為對稱面，模型并未模擬至地表高程，地表至模型頂面的巖體按其自重施加于模型頂面邊界。在x方向上，模型邊界離洞室外壁的距離為90m。在y方向上，模型總長為200m，其中洞室長度為100m。

3.2 邊界條件

數(shù)值分析的邊界條件通常有位移邊界條件和應(yīng)力邊界條件，位移邊界條件中最常用的就是固定邊界條件。對于靜力問題，可以將無窮遠(yuǎn)處邊界和對稱面定為固定邊界條件，本次數(shù)值分析，將模型的底面和對稱面（y=0、x=0）設(shè)為固定邊界，分別限制邊界上節(jié)點在z方向和y、x方向上的移動。在垂直于x方向的外邊界上（x=100）和垂直于y方向的外邊界（y=200）上施加應(yīng)力邊界條件。根據(jù)某實際工程的地應(yīng)力模擬結(jié)果[4]，工程區(qū)域內(nèi)的水平最大主應(yīng)力約為10.0MPa，近垂至于洞室軸線方向（y方向）；水平最小主應(yīng)力約為6.5MPa，近平行于洞室軸線方向（y方向），因此在模型的x=100邊界上施加10.0MPa的壓應(yīng)力，在y=200邊界上施加6.5MPa的壓應(yīng)力。將模型的頂面設(shè)為自由邊界面，同時施加因上覆巖體自重而產(chǎn)生的壓應(yīng)力，在本次研究中，設(shè)洞室拱頂埋深為150m，而模型上頂面距洞室拱頂?shù)木嚯x為80m，故還需在模型頂面施加70m的巖體自重（為1.89MPa）作為邊界應(yīng)力。在計算時亦考慮了巖體自重的作用。

需要指出的是，實際工程洞室軸線很少能夠正好與最大原巖主應(yīng)力垂直，而是考慮到洞室圍巖的穩(wěn)定性。往往在設(shè)計時，盡量使得洞室軸線與最大原巖主應(yīng)力小角度相交，按照本文上述方法施加邊界應(yīng)力實際上是在最不利條件下分析洞室圍巖穩(wěn)定性，增加了分析結(jié)果的安全性，同時不必在模型邊界上施加剪應(yīng)力，使得模型結(jié)構(gòu)和邊界條件在兩個對稱面（y=0、x= 0）上嚴(yán)格對稱，大大減少模型單元數(shù)，增加了計算效率。

3.3 材料本構(gòu)及參數(shù)

本次研究有限差分法屬于連續(xù)介質(zhì)數(shù)值分析方法，計算過程中將洞室圍巖視為均勻各向同性彈塑性介質(zhì)，材料破壞規(guī)律服從莫爾—庫侖準(zhǔn)則。由于本次研究并非針對某個特定的地下水封洞室工程，因此本次研究采用工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)（GB 50218-94）推薦的巖體參數(shù)下限值來進(jìn)行計算[5]，數(shù)值分析考慮了Ⅰ級和Ⅱ級2種不同巖體類型，其具體物理力學(xué)參數(shù)列于表2。

表2 巖體參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 Ⅰ級巖體

本次數(shù)值分析對洞室進(jìn)行三步開挖，第一步開挖拱頂部分，第二步開挖中部直墻部分，第三步開挖下部直墻部分。將1#、2#、3#模型的各圍巖特征點的應(yīng)力值和位移值列于表3，表中應(yīng)力值為負(fù)數(shù)表示拉應(yīng)力。綜合對比分析3種不同尺寸直墻圓拱形洞室圍巖特征點的位移、應(yīng)力可知，3種洞室圍巖的位移和應(yīng)力分布形式基本相同，其量值亦相差不大，總體上有如下規(guī)律：隨洞室截面尺寸減小，洞室圍巖各特種部位的位移均相應(yīng)減小；各特征部位x方向壓應(yīng)力集中程度隨洞室截面尺寸減小而略微有所加劇，而y、z方向的壓應(yīng)力集中程度則略微有所減緩；邊側(cè)直墻巖壁處產(chǎn)生的拉應(yīng)力隨洞室截面尺寸減小有所降低，而且拉應(yīng)力區(qū)域面積逐漸減小；隨洞室截面尺寸減小，洞室圍巖塑性區(qū)發(fā)展深度有所減小。

表3 Ⅰ級巖體不同尺寸直墻圓拱形洞室開挖后圍巖特征點應(yīng)力與位移

為了解洞室截面形狀對圍巖穩(wěn)定性的影響，故而分析斜墻圓拱形洞室圍巖穩(wěn)定性，與直墻圓拱形洞室一樣，斜墻圓拱形洞室也是分為三步開挖，為了對比分析不同洞室形狀對圍巖穩(wěn)定性的影響，在此直接列出各尺寸斜墻圓拱形洞室開挖完成后圍巖的應(yīng)力、變形及破壞情況，并將其與相應(yīng)尺寸直墻圓拱形洞室圍巖進(jìn)行對比分析。

將4#、5#、6#模型的各圍巖特征點的應(yīng)力值和位移值列于表4，表4中應(yīng)力值為負(fù)數(shù)表示拉應(yīng)力。綜合對比分析3種不同尺寸斜墻圓拱形洞室圍巖特征點的位移、應(yīng)力可知，斜墻圓拱形洞室圍巖的應(yīng)力和變形情況隨洞室尺寸的變化規(guī)律與直墻圓拱形洞室圍巖基本相同。

表4 Ⅰ級巖體不同尺寸斜墻圓拱形洞室開挖后圍巖特征點應(yīng)力與位移

對比分析表3和表4中相同洞室尺寸，不同形狀洞室圍巖特征點的位移、應(yīng)力可知：斜墻圓拱形洞室圍巖的應(yīng)力分布與直墻圓拱形洞室圍巖相比，分布規(guī)律基本相同，量值亦相差不大；斜墻圓拱形洞室拱頂處圍巖x方向的壓應(yīng)力值略比直墻圓拱形洞室圍巖大，這主要是因為斜墻圓拱形洞室的圓拱直徑略小于直墻圓拱形洞室，同理在圓拱巖壁附近z方向的壓應(yīng)力值也略比直墻圓拱形洞室圍巖的大，斜墻圓拱形洞室邊墻處x、z方向的拉應(yīng)力均較直墻圓拱形洞室圍巖要略小，兩種形狀洞室圍巖y方向的應(yīng)力基本一樣；斜墻圓拱形洞室圍巖最大位移亦出現(xiàn)在邊墻處，其最大位移值略大于直墻圓拱形洞室圍巖，此外，底板的隆起量略大于直墻圓拱形洞室圍巖，而兩端邊墻的位移值則略小于直墻圓拱形洞室圍巖。

4.2 Ⅱ級巖體

將Ⅱ級巖體1#、2#、3#模型的各圍巖特征點的應(yīng)力值和位移值列于表5，表5中應(yīng)力值為負(fù)數(shù)表示拉應(yīng)力。綜合對比分析Ⅱ級巖體中3種不同尺寸直墻圓拱形洞室圍巖特征點的位移、應(yīng)力可知，3種洞室圍巖的位移和應(yīng)力分布形式基本相同，其量值亦相差不大，總體上有如下規(guī)律：隨洞室截面尺寸減小，洞室圍巖各特種部位的位移均相應(yīng)減小；洞室圍巖各方向最大壓應(yīng)力隨洞室截面尺寸減小而略微有所減小，x、z方向的拉應(yīng)力則有所增大，而y方向上的拉應(yīng)力有所減小；隨洞室截面尺寸減小，洞室圍巖塑性區(qū)域及發(fā)展深度有所減小。

表5 Ⅱ級巖體不同尺寸直墻圓拱形洞室開挖后圍巖特征點應(yīng)力與位移

綜合對比分析Ⅰ、Ⅱ級巖體直墻圓拱形洞室圍巖的應(yīng)力、位移和破壞情況（表3和表5）可知不同質(zhì)量等級巖體中相同尺寸直墻圓拱形洞室圍巖應(yīng)力和變形的變化規(guī)律：隨巖體質(zhì)量等級的降低，洞室圍巖各方向上的壓應(yīng)力明顯減小，尤其是x方向上的壓應(yīng)力，而拉應(yīng)力變化不大；隨巖體質(zhì)量等級的降低，洞室圍巖各特征部位的位移明顯增大，Ⅱ級巖體洞室圍巖最大位移值比Ⅰ級巖體洞室圍巖最大位移值增大約70%；隨巖體質(zhì)量等級的降低，洞室圍巖發(fā)生破壞的范圍及其發(fā)展深度均顯著加大。

將Ⅱ級巖體中4#、5#、6#模型各圍巖特征點的應(yīng)力值和位移值列于表6，表中應(yīng)力值為負(fù)數(shù)表示拉應(yīng)力。綜合對比分析Ⅱ級巖體中3種不同尺寸斜墻圓拱形洞室圍巖特征點的位移、應(yīng)力可知，斜墻圓拱形洞室圍巖的應(yīng)力和變形隨洞室尺寸的變化規(guī)律與直墻圓拱形洞室圍巖基本相同。

對比分析表5和表6中Ⅱ級巖體相同洞室尺寸，不同形狀洞室圍巖特征點的位移、應(yīng)力可知：斜墻圓拱形洞室圍巖的應(yīng)力分布與直墻圓拱形洞室圍巖相比，分布規(guī)律基本相同，量值亦相差不大；斜墻圓拱形洞室拱頂處圍巖x方向的壓應(yīng)力值略比直墻圓拱形洞室圍巖大，這主要是因為斜墻圓拱形洞室的圓拱直徑略小于直墻圓拱形洞室，同理在圓拱巖壁附近z方向的壓應(yīng)力值也略比直墻圓拱形洞室圍巖大，斜墻圓拱形洞室邊墻處x、z方向的拉應(yīng)力均較直墻圓拱形洞室圍巖要略小，兩種形狀洞室圍巖y方向的應(yīng)力基本一樣；斜墻圓拱形洞室圍巖最大位移亦出現(xiàn)在邊墻處，其最大位移值略大于直墻圓拱形洞室圍巖，此外，底板的隆起量略大于直墻圓拱形洞室圍巖，而兩端邊墻的位移值則與直墻圓拱形洞室圍巖基本一致。

綜合對比分析Ⅰ、Ⅱ級巖體斜墻圓拱形洞室圍巖的應(yīng)力、位移和破壞情況（表4和表6）可知不同質(zhì)量等級巖體中相同尺寸斜墻圓拱形洞室圍巖應(yīng)力和變形的變化規(guī)律：隨巖體質(zhì)量等級的降低，洞室圍巖各方向上的壓應(yīng)力明顯減小，尤其是x方向上的壓應(yīng)力，而拉應(yīng)力變化不大；隨巖體質(zhì)量等級的降低，洞室圍巖各特征部位的位移明顯增大，Ⅱ級巖體洞室圍巖最大位移值比Ⅰ級巖體洞室圍巖最大位移值增大約70%；隨巖體質(zhì)量等級的降低，洞室圍巖發(fā)生破壞的范圍及其發(fā)展深度均顯著加大。

表6 Ⅱ級巖體不同尺寸斜墻圓拱形洞室開挖后圍巖特征點應(yīng)力與位移

5 結(jié)論

地下洞室的穩(wěn)定性問題是地下洞室設(shè)計、施工所需面對的一個核心問題，通過對洞室圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，可以了解洞室開挖后圍巖的應(yīng)力重分布狀態(tài)、變形情況，分析出洞室圍巖是否發(fā)生塑性變形及塑性區(qū)范圍，本文采用有限差分法分析了不同等級巖體、不同形狀、不同尺寸洞室圍巖的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)：

（1）隨洞室截面尺寸減小，洞室圍巖各特種部位的位移均相應(yīng)減小；各特征部位x方向壓應(yīng)力集中程度隨洞室截面尺寸減小而略微有所加劇，而y、z方向的壓應(yīng)力集中程度則略微有所減緩；邊側(cè)直墻巖壁處產(chǎn)生的拉應(yīng)力隨洞室截面尺寸減小有所降低，而且拉應(yīng)力區(qū)域面積逐漸減小；隨洞室截面尺寸減小，洞室圍巖塑性區(qū)發(fā)展深度有所減小。

（2）斜墻圓拱形洞室圍巖的應(yīng)力分布與直墻圓拱形洞室圍巖相比，分布規(guī)律基本相同，量值亦相差不大；斜墻圓拱形洞室拱頂處圍巖x、z方向的壓應(yīng)力值略比直墻圓拱形洞室圍巖大，而邊墻處x、z方向的拉應(yīng)力均較直墻圓拱形洞室圍巖要略小，兩種形狀洞室圍巖y方向的應(yīng)力基本一樣；斜墻圓拱形洞室圍巖最大位移亦出現(xiàn)在邊墻處，其最大位移值略大于直墻圓拱形洞室圍巖，此外，底板的隆起量略大于直墻圓拱形洞室圍巖，而兩端邊墻的位移值則略小于直墻圓拱形洞室圍巖。

（3）隨巖體質(zhì)量等級的降低，洞室圍巖各方向上的壓應(yīng)力明顯減小，尤其是x方向上的壓應(yīng)力，而拉應(yīng)力變化不大；隨巖體質(zhì)量等級的降低，洞室圍巖各特征部位的位移明顯增大，Ⅱ級巖體洞室圍巖最大位移值比Ⅰ級巖體洞室圍巖最大位移值增大約70%；隨巖體質(zhì)量等級的降低，洞室圍巖發(fā)生破壞的范圍及其發(fā)展深度均顯著加大。

[1]陳祥.黃島地下水封石油洞庫巖體質(zhì)量評價及圍巖穩(wěn)定性分析[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué)（北京）,2007.

[2]朱以文,黃克戩,李偉.地應(yīng)力對地下洞室開挖的塑性區(qū)影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(8):1344-1348.

[3]祁文剛.二灘水電站泄洪洞典型圍巖穩(wěn)定性分析[J].水電站設(shè)計,2002,18(2):62-65.

[4]陳祥,孫進(jìn)忠,張杰坤,陳慶壽.黃島地下水封石油洞庫場區(qū)地應(yīng)力場模擬分析[J].巖土工程學(xué)報,2009,31(5):713-719.

[5]GB50218-94工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)[S].中國計劃出版社，1995.

TE822

A

1004-5716(2015)01-0166-05

2014-02-18

2014-03-05

李云鵬（1962-），男（漢族），黑龍江訥河人，工程師，現(xiàn)從事地下洞庫的管理和研究工作。