滲流一應(yīng)力耦合作用下的臨庫豎井開挖數(shù)值分析

曾祥茜　何文社　王開喜

摘要：豎井式地下泵站是引水工程中獲取優(yōu)質(zhì)水源的必要手段，臨庫豎井特殊的地質(zhì)環(huán)境，成為制約其安全施工的重要因素。針對臨夏州引黃濟臨工程豎井式一級取水泵站，利用FLAC3D有限差分軟件模擬豎井的開挖過程，對比分析了滲流一應(yīng)力耦合及非耦合作用下豎井應(yīng)力變形規(guī)律。結(jié)果表明，在臨界浸潤面處，井壁變形值最大，且井口位移與井底中心回彈量均隨著豎井開挖深度增大而增大。滲流一應(yīng)力耦合作用時，豎井井壁圍巖受力變形均處于較為不利的狀態(tài)，在豎井開挖完成時井底出現(xiàn)應(yīng)力值突變。因此在實際施工過程中，考慮滲流一應(yīng)力耦合作用下的豎井變形更為準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：引水工程;臨庫豎井開挖;滲流一應(yīng)力耦合;FLAC3D：數(shù)值分析

中圖分類號：TV675;TU433

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2019.04.031

豎井式地下泵站是引水工程中獲取深層優(yōu)質(zhì)水源的必要手段。臨近水庫由于其特殊的地質(zhì)環(huán)境，地下水資源豐富，滲流場十分復(fù)雜，地質(zhì)條件對豎井開挖極為不利。由于豎井開挖過程中動力因素的擾動，井壁土體的屬性隨著豎井開挖過程中的卸荷作用而逐漸變差，土體的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致圍巖滲透系數(shù)及滲透力的改變，而滲流場的改變將直接影響圍巖結(jié)構(gòu)屬性及物理力學(xué)性能，進(jìn)而改變圍巖結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力平衡狀態(tài)[1-2]，加之復(fù)雜的地質(zhì)條件，極有可能造成管涌、坍塌等后果[3]。本文以臨夏州引黃濟臨工程為例，取其一級取水泵站豎井為研究對象，利用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行施工過程的三維數(shù)值模擬[4-6].基于耦合與非耦合兩種計算模式，對比分析豎井施工過程中位移場及應(yīng)力場的變化規(guī)律[7-8].研究滲流一應(yīng)力耦合作用對豎井圍巖受力變形的影響，以此為工程實際施工提供相應(yīng)借鑒。

1 工程概況

1.1 泵站結(jié)構(gòu)

臨夏州引黃濟臨工程一級取水泵站位于劉家峽水庫庫區(qū)，為臨庫正向取水。廠區(qū)主要由引水暗涵、進(jìn)水閘室、進(jìn)水前池、主泵室、副廠房、安裝間、臨庫側(cè)護岸等組成。泵站主廠房為圓形豎井結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑25.00 m，壁墻厚度2. 00 m，深28. 30 m。廠區(qū)開挖地坪高程1 738.65 m.主泵室井底開挖高程1 710.35 m。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及水文條件

該取水樞紐位于劉家峽水庫南岸蓮花碼頭東南處，施工期間，水庫水位為1 715.35 m，基坑較深，地下水資源豐富，滲流場較為復(fù)雜，施工期間要確保邊坡穩(wěn)定，合理疏導(dǎo)排水，確保井口土體穩(wěn)定是保證基坑施工安全的重點[9]。根據(jù)設(shè)計地質(zhì)勘測資料及現(xiàn)場勘察，泵站主泵室高程1 738.65 m至1 724.00 m為堅質(zhì)黏土夾雜礫石，屬第四系全新統(tǒng)滑坡堆積04。標(biāo)高1 724.00 m以下為新近系上統(tǒng)臨夏組砂巖、砂質(zhì)泥巖。廠區(qū)上部堅質(zhì)黏土含礫較少，下部含礫并夾有少量泥巖孤石，土體稍密，上部土體較干、下部稍濕。下部基巖為新近系泥巖夾砂巖，巖體透水率為3.69-4.92 Lu，上下部土體透水性均較好。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型及邊界條件

為充分反映豎井開挖橫斷面相鄰圍巖的變化情況，模型尺寸水平方向（X、Y方向）分別取井口約7倍洞徑，為210 m.豎井開挖方向（Z方向）取210 m[10]。開挖豎井為直徑29 m，高28 m的圓柱體。

豎井開挖過程會對初始應(yīng)力場和孔壓場造成多次擾動，應(yīng)力場將多次重分布。本構(gòu)模型選用巖土力學(xué)通用的Mohr- Coulomb模型，圍巖采用實體單元和理想彈性材料模擬;滲流模式下選用各向同性滲流模型，不考慮土顆粒及流體的可壓縮性。模型的前后、左右邊界為水平約束，下邊界為豎直約束，上邊界為自由邊界。模型的右側(cè)為透水邊界，根據(jù)地勘報告，在開挖15 m處設(shè)置臨界浸潤面，水頭自z=-15 m處至模型底部呈線性分布。模型網(wǎng)格劃分剖面如圖1所示。

數(shù)值模擬過程服從以下設(shè)定[11]：①豎井開挖按5m為一個循環(huán)進(jìn)尺，分為6個工步進(jìn)行掘進(jìn);②初始應(yīng)力場由自重場構(gòu)成，且忽略構(gòu)造應(yīng)力：③由于計算模型為正六面體，且豎井開挖斷面呈對稱分布，因此取模型一半進(jìn)行分析。

2.2 物理參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘測資料及現(xiàn)場勘察，豎井標(biāo)高1 738.65 m至1 724.00 m（即模型z=-15 m以上）段為堅質(zhì)黏土夾雜礫石，土體較干，屬第四系全新統(tǒng)滑坡堆積02el為Ⅳ類圍巖。標(biāo)高1 724.00 m以下（即模型z=-15 m以下）為新近系上統(tǒng)臨夏組砂巖、砂質(zhì)泥巖，土體稍濕，滲透系數(shù)為4. 48×10 cm/s，為V類圍巖。其圍巖計算力學(xué)參數(shù)見表1。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

FLAC3D在分析含有孔隙水壓力的相關(guān)問題時，可根據(jù)是否設(shè)置流體計算，分為兩種計算模式[12]：非耦合計算模式通過純力學(xué)因素擾動來計算豎井開挖過程中位移和應(yīng)力的變化規(guī)律.滲流一應(yīng)力耦合計算模式將考慮流體和力學(xué)相互擾動的耦合作用。通過分析對比兩種計算模式下豎井施工過程中的受力變形情況，得出滲流場對位移場、應(yīng)力場的影響規(guī)律。

3.1 初始應(yīng)力場和孔壓場

未開挖之前地層初始狀態(tài)下的應(yīng)力場和孔壓場云圖如圖2、圖3所示，可以看出，土體的應(yīng)力分層均勻，從上至下應(yīng)力值逐漸增大，最小地表應(yīng)力為0.039 MPa，模型底部的最大應(yīng)力為4.510 MPa。透水邊界的孔隙水壓力呈梯度分布，模型上部孔壓為零，右邊界底部孔隙水壓力最大為1.950 MPa.逐漸向土層滲流并有明顯的滲流路徑，以至達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡。由此可知，隨著開挖的進(jìn)行，豎井底部圍巖受力增大，且在含有地下水的施工階段，初始孔壓場將隨著豎井開挖進(jìn)行二次分布，地下水也隨著產(chǎn)生的水頭差而大量滲入臨空面。因此，在實際施工過程中應(yīng)及時做好初期支護及防滲、排水工作，預(yù)防圍巖受力較大且受滲流作用影響而屬性變差。

3.2滲流一應(yīng)力耦合及非耦合計算模式下的位移變化規(guī)律

3.2.1 井壁水平位移分析

圖4、圖5為兩種計算模式下豎井開挖完成時的水平位移分布云圖。非耦合計算模式下，豎井在開挖至10 m及以下時，井壁的水平向位移都較大，最大為13.30 mm;滲流一應(yīng)力耦合計算模式下，其最大水平向位移為20.60 mm，發(fā)生在深度10 m處，10 m以下井壁水平向位移逐漸減小但仍大于非耦合時。這是由于水庫的浸潤線在開挖15 m處，非耦合計算模式下進(jìn)行第四步（即15 m以下）豎井開挖時考慮井底積水而進(jìn)行抽水，在抽水之后土體發(fā)生固結(jié)，因此位移有減小的趨勢。相較于非耦合，耦合時的土體因其卸荷作用與含水后結(jié)構(gòu)屬性變差，井壁土體較為松弛，故水平向位移較大。

圖6為非耦合計算模式下位移變化曲線，可以看出：開挖前Sm時，井壁位移隨開挖深度的增加而減小：在開挖5-10 m時，井壁位移隨開挖深度的增大而增大，在開挖10 m處位移最大：開挖10 m以下時，井壁位移隨開挖深度的增大而減小。

圖7為滲流一應(yīng)力耦合計算模式下位移變化曲線，可以看出，井口（豎井深度為零）、井壁的位移，均隨開挖深度的增大而增大。在開挖0-10 m時，井口的位移范圍僅為1-2 mm.井壁的位移范圍僅有2-4 mm，位移范圍較小;在開挖15-20 m時，井口位移范圍為4-5 mm，由開挖20 m的變化曲線可以看出，在豎井深度為10 m處，井壁有最大位移15.13 mm;開挖25-29 m時，井口最大位移為11.35 mm，由開挖25 m的變化曲線可以看出，在豎井深度為10 m處，井壁有最大位移18.40 mm。

從圖6、圖7的變化曲線得出，每一施工步的開挖都將造成位移場的重分布以至達(dá)到再次平衡。尤其在滲流一應(yīng)力耦合計算模式下，隨著豎井的不斷開挖，井壁的圍巖屬性逐漸變差，進(jìn)而造成井壁的動態(tài)變形，在井口處位移突變，在z=-10 m處，有可能造成井壁土體坍塌。在施工過程中，應(yīng)加強井口及每一次開挖后井壁的支護，以及在z=-10 m處對土體采取永久支護和加固措施。

3.2.2 井底豎向位移分析

圖8、圖9為豎井在完成開挖后的Z向位移分布云圖，可以看出，滲流一應(yīng)力耦合計算模式下的豎向位移影響區(qū)域較非耦合時大。非耦合計算模式下，豎井開挖回彈量最大值在井底中心，最大回彈量為4.68cm;滲流一應(yīng)力耦合計算模式下，最大回彈量為5.88 cm。在施工過程中，由于土體的卸荷作用，井底土體回彈而變得松弛，其蠕變也會導(dǎo)致井底的隆起，在考慮滲流影響的情況下，土體會吸水膨脹，以及施工時間的長短、一次性開挖的深度等都會引起井底回彈量的變化，因此在施工過程中應(yīng)該考慮上述因素，避免井底回彈量過大導(dǎo)致不必要的工程災(zāi)害。

圖10為在非耦合和耦合兩種計算模式下井底中心回彈量隨開挖深度變化的曲線圖，可以看出，隨著開挖深度的增加，井底的中心回彈量也不斷增大。兩種計算模式下，開挖深度在15 m以上時，因為土體被開挖的土方量相同，所以井底回彈量相差不大：開挖深度在15 m以下時，由于水庫滲流的作用，在滲流一應(yīng)力耦合計算模式下井底的回彈量計算將考慮土方的自重與水壓力的雙重作用，因此其井底中心的回彈量較非耦合時大。實際施工中，應(yīng)及時處理井底積水，采取必要的排水措施，著重加強對井壁的永久支護，以避免造成土體坍塌、管涌等現(xiàn)象。

3.3 滲流一應(yīng)力耦合及非耦合計算模式下的應(yīng)力變化規(guī)律

圖II-圖14為兩種計算模式下豎井開挖完成時的第一、第三主應(yīng)力分布云圖，表2為不同開挖深度下井壁第一、第三主應(yīng)力最大值，可以看出，在兩種計算模式下，第一、第三主應(yīng)力均隨開挖深度的增大而增大，開挖深度小于15 m的施工段不含地下水，因此其應(yīng)力大小基本相近：開挖深度大于15 m的施工段含有地下水，考慮滲流場的影響，滲流一應(yīng)力耦合模式下第一、第三主應(yīng)力整體較非耦合時大。非耦合計算模式下應(yīng)力變化平穩(wěn)，在完成豎井開挖后其第一主應(yīng)力為-0.277 MPa，第三主應(yīng)力為-0.664 MPa;滲流一應(yīng)力耦合計算模式下，在開挖完成后井底出現(xiàn)應(yīng)力突變，其第一主應(yīng)力為-4.800 MPa，第三主應(yīng)力為-5.170 MPa。由此可見，應(yīng)在開挖完成時及時做好初期支護，以減小井底回彈量。

4 結(jié)論

通過對臨庫豎井開挖過程的受力變形數(shù)值分析，可得到以下結(jié)論：

（1）開挖過程的動力因素會造成土體應(yīng)力場和滲流場的重分布，然后逐漸達(dá)到穩(wěn)定的滲流一應(yīng)力平衡狀態(tài)，分析得到了豎井開挖后的井壁變形形態(tài)及變形值域。

（2）受滲透力與土壓力共同作用，井壁向臨空面的變形隨豎井開挖深度的增大而增大。在施工過程中，應(yīng)及時對豎井的井壁和井口處做好襯砌支護措施，以保證豎井結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（3）對比分析兩種不同計算模式下豎井井口受力變形規(guī)律可知，滲流一應(yīng)力耦合作用下豎井開挖的受力變形量較大，故在施工過程中不可忽視水庫滲流作用的影響，應(yīng)及時排水并加強水土分界面的井壁支護，以避免土體塌陷失穩(wěn)。

（4）滲流一應(yīng)力耦合作用下，圍巖的位移和應(yīng)力變化均處于較為不利的狀態(tài)，為避免井底中心的回彈量過大，在施工期間可通過控制豎井的一次性開挖量、開挖時間、井底排水等措施保證工程的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾靜，盛謙，廖紅建，等，佛子嶺抽水蓄能水電站地下廠房施工開挖過程的FLAC數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2006 （4）：637-642.

[2]顏勇，地鐵深基坑滲流應(yīng)力耦合研究[J].鐵道工程學(xué)報，2011，28（6）：92-97.

[3]裴桂紅，吳軍，劉建軍，等，深基坑開挖過程中滲流一應(yīng)力耦合數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（增刊2）：4975-4978.

[4]代鑫，徐偉，鄒麗，等，豎井開挖過程的數(shù)值模擬分析[J].巖土工程學(xué)報，2012，34（增刊1）：154-157.

[5] 陳育民，徐頂平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2008：182-209.

[6]姚亞輝，張玉潔，萬龍，等，豎井開挖過程的FLAC3D數(shù)值模擬[J].金屬礦山，2014（5）：60-63.

[7] 李體康，王媛，滲流應(yīng)力耦合作用下深基坑開挖變形性狀分析[J].水電能源科學(xué)，2013，31（5）：126-129.

[8] 孫富學(xué)，朱云輝，楊昭宇，等，基于滲流應(yīng)力耦合的深基坑工程滲流場與變形數(shù)值模擬[J].工程勘察，2009，37（1）：24-27.

[9]胡斌超，劉有亮，王開喜，引黃濟臨供水工程水力機械設(shè)計和運行[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2018（7）：140-144.

[10] 孔科，易文明，湯雷，等，軟巖中豎井開挖的支護體系研究[J].人民黃河，2018，40（2）：131-134.

[11] 崔柔柔，楊其新.蔣雅君，軟巖隧道掌子面玻璃纖維錨桿加固參數(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2015，59（11）：79-83.

[12]史偉亮，燕喬，張碩，基于FLAC3D的圍堰邊坡穩(wěn)定流一固耦合分析[J].人民黃河，2012，34（5）：117-118，123.

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