基于破壞接近度的朝陽調(diào)水工程施工支洞圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

蔣天元

(遼寧西北供水有限責任公司， 遼寧 朝陽 122000)

1 工程背景

朝陽調(diào)水工程是遼西閻王鼻子水庫的配套工程之一，是以閻王鼻子水庫為供水水源向朝陽市供水的重要工程。工程項目主要由沉沙池、提水泵站、供水管道以及凈水廠等水工建筑物構(gòu)成，設計供水規(guī)模為每年5500萬m3，建成后可以有效滿足凌鋼新區(qū)、燕山湖電廠以及其他用戶的需求。供水水源閻王鼻子水庫是以朝陽市工業(yè)和生活供水、城市防洪為主，兼具發(fā)電等綜合效益的大型水利樞紐工程，壩址位于大凌河中游，距離朝陽市25km，總庫容2.17億m3，于1999年建成蓄水[1]。該工程的引水隧洞為壓力引水隧洞，全長12km，開挖斷面為圓拱斜墻，4條施工支洞總長4.5km，均為13%左右的倒坡，襯砌后成洞斷面為圓形。輸水隧洞的部分洞段地質(zhì)環(huán)境較差，需要穿越較大的斷層4條，存在極軟巖、軟巖以及瓦斯洞段等不良地質(zhì)洞段，施工難度較大。

在地下洞室工程施工中，開挖施工會造成圍巖的應力重新分布進而在部分區(qū)域形成損傷區(qū)[2]。損傷區(qū)的范圍和損傷程度是圍巖穩(wěn)定性評價、施工設計以及支護參數(shù)設計和優(yōu)化的重要依據(jù)[3]。根據(jù)巖土力學領域的彈塑性理論，開挖損傷區(qū)即為圍巖的塑性區(qū)，因此大部分數(shù)值模型研究中的塑性區(qū)僅有一個范圍，而沒有損傷程度、可能發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生破壞的區(qū)域以及周圍彈性區(qū)向塑性區(qū)轉(zhuǎn)變的相關信息[4]。因此，本次研究以朝陽調(diào)水工程引水隧洞3#施工支洞軟巖洞段為例，基于破壞接近度函數(shù)對圍巖的穩(wěn)定性進行定量分析，以解決傳統(tǒng)圍巖穩(wěn)定性研究中的塑性區(qū)表達缺陷，為相關工程設計和建設提供理論支持。

2 基于破壞接近度的圍巖穩(wěn)定性分區(qū)

2.1 破壞接近度的含義

以圍巖的主應力分量為變量，屈服函數(shù)可以視為應力空間內(nèi)所有屈服點對應應力點構(gòu)成的屈服曲面，屈服曲面上的應力點處于臨界狀態(tài)，屈服曲面以內(nèi)和以外的點分別處于塑性和彈性狀態(tài)[5]。根據(jù)屈服函數(shù)的概念，周輝提出了屈服接近度的概念[6]。在塑性力學范疇內(nèi)，塑性剪應變是描述巖土體從塑性狀態(tài)向破壞狀態(tài)轉(zhuǎn)化過程中的損傷程度的重要概念[7]。因此，參照屈服接近度的概念，本文研究提出破壞接近度的概念。首先，破壞度是巖土體的塑性剪應變與極限塑性剪應變的比值，其表達式為：

(1)

由上述定義可知，當破壞度大于等于或小于1時，巖土體處于破壞、臨界破壞和未破壞狀態(tài)。結(jié)合屈服函數(shù)和屈服接近度的定義，令ω=1-FAI，則破壞接近度FAI的數(shù)學表達式為：

(2)

顯然，在巖土體發(fā)生屈服之前，可以使用屈服接近度參數(shù)(ω)對巖土體單元應力狀態(tài)的危險性進行定義，當巖土體單元為塑性狀態(tài)后，則使用破壞度的參數(shù)(1+FD)對其塑性損傷程度進行表達。因此，當0≤FAI≤1、1≤FAI≤2、FAI>2時，巖土體單元分別處于彈性狀態(tài)、塑性未破壞狀態(tài)和破壞狀態(tài)。

2.2 圍巖穩(wěn)定性分區(qū)

在地下洞室工程開挖施工過程中，圍巖會面臨應力釋放和應力場的重部，進而產(chǎn)生局部的應力集中[8]。如果上述局部集中的應力值超出圍巖強度，圍巖即會發(fā)生破壞直至重新形成應力平衡。在上述過程中，圍巖狀態(tài)會隨著深度的不同劃分為不同的松動圈和狀態(tài)分布區(qū)域。本次研究結(jié)合陳建功、左建平等學者的研究成果和破壞接近度的定義[9- 10]，將圍巖劃分為低應力區(qū)、開挖擾動區(qū)、開挖損傷區(qū)一級破壞區(qū)，其判別標準見表1。

表1 基于破壞接近度的圍巖區(qū)域劃分標準

3 數(shù)值計算模型

3.1 模型的建立

朝陽調(diào)水工程引水隧洞3#施工支洞軟巖洞段為直徑3.5m的圓形隧洞，在充分考慮模型邊界效應影響基礎上，選擇模型的尺寸為15m×10m×15m，然后利用FLAC3D進行隧洞模型的建立。對構(gòu)建的模型利用四面體網(wǎng)格單元劃分，并對關鍵部位進行加密，最終生成219273個網(wǎng)格單元，38974個節(jié)點，網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 計算模型網(wǎng)格劃分示意圖

3.2 邊界條件與計算方案

根據(jù)實地測量的地應力數(shù)據(jù)設置模型的邊界條件，對模型的后面、下面和左面分別固定，對前面、上面和右面分別施加4.5、1.1和6.0MPa且指向隧洞的力，用于模擬隧洞受到的地應力[11]。在利用模型進行數(shù)值模擬過程中，根據(jù)現(xiàn)場施工方案設計為全斷面開挖不支護的施工方式[12]，計算過程中設計10步開挖，每步的開挖進尺為1.0m，模型開挖的示意圖如圖2所示。為了對開挖過程中研究洞段圍巖的應力位移和破壞區(qū)的發(fā)展演變情況進行直觀了解，在研究洞段的各個部位設置了40個監(jiān)測點，監(jiān)測剖面為y=0.5剖面，其具體布置如圖3所示。

圖2 開挖方案示意圖

圖3 監(jiān)測點布置示意圖

4 計算結(jié)果與分析

4.1 位移場分析特征

利用上節(jié)構(gòu)建的模型，對研究洞段開挖施工過程中的圍巖位移進行模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果繪制出如圖4—7所示的隧洞開挖完畢后各個監(jiān)測點的豎向和水平位移曲線。

圖4 研究洞段頂部豎向位移曲線

圖5 研究洞段底部豎向位移曲線

圖6 研究洞段右側(cè)水平位移曲線

圖7 研究洞段左側(cè)水平位移曲線

由圖4—7可知，在研究洞段開挖完畢之后，研究洞段頂部除了首尾2個監(jiān)測點之外，其余8個監(jiān)測點均表現(xiàn)為沉降位移，而底部全部表現(xiàn)為隆起位移，且隧洞中部的豎向位移變形量最大，說明該部位的圍巖狀況最差；從水平位移來看，研究洞段左右兩側(cè)的水平位移均指向隧洞，且隨著開挖防線不斷減小。但是，隧洞中部左側(cè)監(jiān)測點的水平位移存在突然增大的情況，原因是該部位的巖石破碎比較嚴重。

4.2 破壞區(qū)分布特征

研究中以上節(jié)提出的破壞接近度函數(shù)為基礎，綜合利用zextra命令和FISH語言編程，獲得研究洞段在不同開挖步數(shù)下的圍巖破壞接近度分布云圖。按照表1中的基于破壞接近度的圍巖區(qū)域劃分標準，標出不同區(qū)域的輪廓線及相應的FAI值，結(jié)果如圖8—13所示。

圖8 第1步開挖典型剖面破壞接近度云圖

圖9 第2步開挖典型剖面破壞接近度云圖

圖10 第3步開挖典型剖面破壞接近度云圖

圖11 第4步開挖典型剖面破壞接近度云圖

圖12 第7步開挖典型剖面破壞接近度云圖

圖13 第10步開挖典型剖面破壞接近度云圖

由圖8—13可知，在研究洞段進行第1步開挖之后，受到開挖導致的空間效應作用，在典型斷面的頂部出現(xiàn)了小范圍的開挖擾動和損傷區(qū)，F(xiàn)AI的最大值為1.25，說明圍巖力學強度性質(zhì)并沒有出現(xiàn)明顯的弱化，僅發(fā)生開挖損傷并沒有破壞；在第2步和第3步開挖過程中，施工開挖的掌子面逐漸遠離典型斷面，因此空間效應作用明顯減弱的同時圍巖的應力也獲得了充分的釋放，因此，頂部的開挖擾動進而損傷區(qū)范圍較第1步開挖之后明顯擴大，同時，在隧洞的頂部出現(xiàn)了FAI值大于2.0的區(qū)域，說明圍巖已經(jīng)出現(xiàn)破壞；在第4步至開挖完畢，施工開挖的掌子面距離典型斷面越來越遠，因此開挖擾動對典型斷面的影響不斷減小，因此圍巖的破壞情況逐漸趨于穩(wěn)定。在第10步開挖完畢之后，模擬顯示的破壞區(qū)與現(xiàn)場的調(diào)查結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)語

本次研究針對傳統(tǒng)數(shù)值模型研究中塑性區(qū)表達方面的不足，提出了破壞接近度的概念。以朝陽調(diào)水工程引水隧洞3#施工支洞軟巖洞段為例，利用FLAC3D軟件進行有限元計算模型的構(gòu)建，對研究洞段的圍巖穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬研究，并驗證了破壞接近度在圍巖穩(wěn)定性研究方面的理論和實踐價值。由于極限塑性剪應變是破壞接近度研究中的關鍵參數(shù)，本次研究中的上述參數(shù)值主要來自于其他學者的研究成果，而如何確定不同巖土體的極限塑性剪應變的方法需要進行進一步的研究，以便為破壞接近度的計算提供必要的支持。