巖體滲透性變化對(duì)輸水隧洞受力變形的影響

肖逸飛

(新疆額爾齊斯河投資開發(fā)(集團(tuán))有限公司,烏魯木齊 830000)

1 概 述

在特殊地質(zhì)條件及地形復(fù)雜地區(qū)修建輸水隧洞,常常伴隨高外水壓力、高地應(yīng)力等問題,嚴(yán)重影響輸水隧洞的施工安全。針對(duì)深埋輸水隧洞施工問題,許多學(xué)者通過理論法、試驗(yàn)法、監(jiān)測法、數(shù)值法等不同手段開展了一系列研究。趙大洲等[1]以南水北調(diào)西線工程深埋長隧洞為研究對(duì)象,利用MIDAS有限元軟件,建立含襯砌的輸水隧洞模型,分析隧洞施工過程中襯砌管片的受力特征,評(píng)估了深埋隧洞施工過程的安全性。基于流-固耦合理論,紀(jì)佑軍等[2]利用數(shù)值模擬手段模擬隧道開挖過程,對(duì)比考慮滲流和不考慮滲流下隧洞受力變形。賈善坡等[3]以深埋黏土巖隧道過程為例,基于滲流-應(yīng)力耦合理論,分析了盾構(gòu)隧道施工過程中襯砌管片受力變形的動(dòng)態(tài)行為,進(jìn)一步獲得了圍巖滲透壓力分布特征。陳衛(wèi)忠等[4]基于滲流耦合理論模型,通過ABAQUS二次開發(fā),將滲流耦合模型考慮其中,計(jì)算分析了壓力隧洞施工過程中圍巖變形規(guī)律。王克忠等[5]以沭水東調(diào)引水隧洞為研究對(duì)象,通過數(shù)值模擬軟件,對(duì)比滲流作用對(duì)隧道施工過程的影響,分析了圍巖滲流場演變規(guī)律。周亞峰等[6]模擬計(jì)算了深埋TBM隧洞施工過程,研究了隧洞滲流動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。

本文以新疆某輸水隧洞為研究對(duì)象,利用有限元軟件,建立考慮滲透系數(shù)變化和不考慮滲透系數(shù)變化兩種工況,分析隧洞排水和充水后不同工況下輸水隧洞位移、孔隙水壓力、塑性區(qū)的變化規(guī)律。

2 工程概況

新疆某輸水隧洞包括支洞和主洞,支洞進(jìn)口地面高程約799.451m,與主洞交點(diǎn)高程605.882m,長度1 543.215m;縱斷面設(shè)計(jì)為:200m長12.9%的陡坡+20m長3%的緩坡,綜合縱坡11.70%;支洞斷面型式為城門洞型,斷面尺寸6.7m×6.8m。主洞全長8.347km,隧洞縱坡1/2 583,起點(diǎn)底板頂高程607.565m,末點(diǎn)底板頂高程604.333m。地形地貌屬于ALT山南坡WLGH河谷區(qū)和WLGH南岸剝蝕丘陵區(qū),地勢總體南高北低,海拔高程790～816m,河谷區(qū)地形平緩開闊,為河漫灘及河流階地;南岸剝蝕丘陵區(qū)地形起伏較小,山頂多呈渾圓狀,山體坡度較緩,一般高差10～30m,基巖大多裸露,主要為荒漠地貌。

3 有限元模型

根據(jù)輸水隧洞的設(shè)計(jì)方案,建立寬度460m、高度640m的有限元模型,隧洞建在模型中間位置,見圖1。

圖1 有限元模型

所建模型位于地下水下方,因此模型中圍巖為飽和狀態(tài)。模型中,用四邊形實(shí)體單元?jiǎng)澐炙矶匆r砌結(jié)構(gòu)和圍巖,模型頂部設(shè)置44.8MPa的自重應(yīng)力,模型兩側(cè)和底部設(shè)為固定邊界。此外,模型頂部和底部分別施加300和760m水頭,水壓在模型兩側(cè)呈梯形。參考現(xiàn)場地應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果,輸水隧洞的初始應(yīng)力主要為自重應(yīng)力,側(cè)壓力系數(shù)為0.88。根據(jù)地勘報(bào)告,襯砌和圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 襯砌和圍巖物理力學(xué)參數(shù)

為研究圍巖滲透系數(shù)演化對(duì)輸水隧洞整體影響規(guī)律,建立考慮滲透系數(shù)變化和不考慮滲透系數(shù)變化兩種工況:工況一設(shè)定滲透系數(shù)為恒定值;工況二設(shè)定滲透系數(shù)為基于體積應(yīng)變的變化。

4 數(shù)值結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對(duì)比

4.1 滲透系數(shù)變化規(guī)律

輸水隧洞掘進(jìn)后,對(duì)于工況二(考慮圍巖滲透系數(shù)變化),滲透系數(shù)沿隧洞拱底和拱頂?shù)絿鷰r內(nèi)部深處的變化曲線見圖2。從圖2可以看出,圍巖滲透系數(shù)在輸水隧洞掘進(jìn)邊界變化顯著,在隧洞邊界處拱底和拱頂滲透系數(shù)分別為1.0×10-3和3.3×10-3cm/s,沿著圍巖深處先迅速降低隨后緩慢降低直至趨于穩(wěn)定。滲透系數(shù)相對(duì)于圍巖初始滲透系數(shù)增大3個(gè)數(shù)量級(jí),這個(gè)規(guī)律與實(shí)際工況相吻合,即圍巖因地應(yīng)力釋放產(chǎn)生松動(dòng)并衍生較多裂縫,從而導(dǎo)致圍巖滲透性增大。

圖2 滲透系數(shù)變化曲線

4.2 圍巖位移變化

為保證深埋輸水隧洞掘進(jìn)過程的安全性,當(dāng)隧道掘進(jìn)后,通過鉆孔在TI隧洞掌子面后方的拱頂和右拱腰位置布設(shè)深15m的位移計(jì),監(jiān)測隧道繼續(xù)掘進(jìn)掌子面后方變形。隧洞拱頂和右拱腰圍巖變形監(jiān)測值與數(shù)值模擬兩種工況對(duì)比圖見圖3。

圖3 圍巖變形監(jiān)測值與數(shù)值模擬兩種工況對(duì)比圖

從圖3可以看出,在15m深度處,圍巖位移監(jiān)測值略小于數(shù)值模擬兩種工況結(jié)果,其余位置的圍巖位移監(jiān)測值大于工況一結(jié)果,但小于工況二結(jié)果。在輸水隧洞邊界處(即距離為0m),圍巖拱頂位移監(jiān)測值比工況二結(jié)果小2.6cm,比工況一結(jié)果大2.7cm;圍巖右拱腰位移監(jiān)測值比工況二結(jié)果小4.1cm,比工況一結(jié)果大2.4m。由此可見,不考慮滲透系數(shù)變化的工況一數(shù)值結(jié)果偏小,且位移計(jì)只能監(jiān)測隧洞開挖后的部分位移。因此,考慮到可靠性和安全性,考慮滲透系數(shù)變化的工況二更符合實(shí)際工況,結(jié)果更為合理、準(zhǔn)確。

5 滲透性演化對(duì)隧洞穩(wěn)定性影響分析

基于上一節(jié)驗(yàn)證的考慮滲透系數(shù)變化模型的合理性,本節(jié)分析運(yùn)營期輸水隧洞在排水和充水后,圍巖滲透系數(shù)變化對(duì)圍巖變形、孔隙水壓力以及塑性應(yīng)變的影響。仍然考慮滲透系數(shù)變化和不考慮滲透系數(shù)變化兩種工況,模擬過程共5個(gè)步驟:

步驟1:設(shè)定初始地應(yīng)力平衡,模型頂部和底部分別施加300和760m水頭。

步驟2:隧道開始掘進(jìn),施工時(shí)長100h,隧道水壓力迅速減小至0。

步驟3:激活隧洞襯砌,施工時(shí)長48h。

步驟4:設(shè)置輸水隧洞內(nèi)水壓力水頭100m,充水時(shí)長120h。

步驟5:設(shè)置輸水隧洞進(jìn)行4h的排水。

運(yùn)營期輸水隧洞在排水和充水后,其外水壓力會(huì)發(fā)生變化,尤其當(dāng)隧洞排水后,圍巖外水壓力會(huì)逐漸減小。圖4(a)為充水后隧道拱頂孔隙水壓力沿圍巖深處方向的變化曲線。由圖4(a)可知,兩種工況拱頂孔隙水壓力的變化規(guī)律略有差異。其中,工況一的圍巖孔隙水壓力沿圍巖深處方向逐漸增大;而工況二的圍巖孔隙水壓力沿圍巖深處方向先緩慢減小直至距隧洞3m處,隨后緩慢增大。圖4(b)為排水后隧道拱頂孔隙水壓力沿圍巖深處方向的變化曲線。由圖4(b)可知,兩種工況拱頂孔隙水壓力的變化規(guī)律與隧洞充水情況相似。其中,工況一的圍巖孔隙水壓力持續(xù)增大;工況二的圍巖孔隙水壓力在隧洞3m范圍內(nèi)變化較小,隨后持續(xù)增大。對(duì)比兩圖可以看出,工況一的孔隙水壓力略大于工況二的孔隙水壓力。

圖4 孔隙水壓力沿圍巖深處方向的變化曲線

運(yùn)營期輸水隧洞在排水和充水后,其圍巖位移也會(huì)發(fā)生變化。圖5為隧道拱底和拱頂處圍巖位移不同計(jì)算步驟下變化曲線。從圖5可以看出,隧洞充水后,其拱頂位移略有減小;隧洞排水后,由于壓力釋放,拱頂位移略有增大;隧洞充水和排水后,拱底位移均略有增大,位移變化規(guī)律大致相同。對(duì)比兩種工況的隧洞位移可知,工況二下隧洞拱底和拱頂位移均遠(yuǎn)大于工況一下圍巖位移,即工況二下拱頂位移接近工況一下拱頂位移的兩倍,工況二下拱底位移接近工況一下拱底位移的3倍。這是因?yàn)榭紤]隧洞周邊圍巖滲透系數(shù)迅速增大,從而引起隧洞附近圍巖增大。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對(duì)比可知,隧道拱底和拱頂位移監(jiān)測值介于數(shù)值計(jì)算兩種工況之間,并且隧道拱底和拱頂位移監(jiān)測結(jié)果的變化規(guī)律與數(shù)值計(jì)算兩種工況基本相同,表明所建輸水隧洞模型的正確性。

圖5 圍巖位移不同計(jì)算步驟下變化曲線

運(yùn)營期輸水隧洞在排水和充水后,其圍巖塑性變形也會(huì)發(fā)生變化。隧道排水后右拱腰塑性應(yīng)變變化曲線見圖6。從圖6可以看出,在隧洞洞壁位置,工況一和工況二塑性應(yīng)變均到達(dá)峰值,分別為7.1×10-3和2.4×10-2。可見,因?yàn)榭紤]圍巖滲透系數(shù)的變化,工況二下隧洞周邊圍巖塑性屈服程度更大。進(jìn)一步觀察圖6可知,在輸水隧洞右拱腰位置,工況一和工況二的塑性區(qū)范圍分別為4.0和7.5m。而根據(jù)位移計(jì)監(jiān)測結(jié)果可知,右拱腰松弛深度范圍為6.0～7.0m。因此,從塑性區(qū)角度出發(fā),考慮圍巖滲透系數(shù)的變化更接近實(shí)際工況。

圖6 隧道排水后右拱腰塑性應(yīng)變變化曲線

圖7為隧洞拱底和拱頂處塑性應(yīng)變?cè)诓煌?jì)算步驟下變化曲線。

圖7 隧洞拱底和拱頂處塑性應(yīng)變?cè)诓煌?jì)算步驟下變化曲線

從圖7可以看出,隧洞在充水和排水后,圍巖塑性應(yīng)變均隨計(jì)算步而緩慢增大。在隧洞拱頂位置,工況一塑性區(qū)在隧洞充水和排水后變化較小,工況二塑性區(qū)在隧洞排水后增大。在隧洞拱底位置,隧洞充水和排水后,兩種工況下隧洞塑性區(qū)范圍均有所增大。

6 結(jié) 論

以新疆某輸水隧洞為研究對(duì)象,利用有限元軟件,建立了考慮滲透系數(shù)變化和不考慮滲透系數(shù)變化兩種工況,分析了隧洞排水和充水后不同工況下輸水隧洞位移、孔隙水壓力、塑性區(qū)的變化規(guī)律。結(jié)論如下:

1)圍巖滲透系數(shù)在輸水隧洞掘進(jìn)邊界變化顯著,在隧洞邊界處拱底和拱頂均達(dá)到峰值,沿著圍巖深處先迅速降低隨后緩慢降低直至趨于穩(wěn)定。

2)工況一的圍巖孔隙水壓力沿圍巖深處方向逐漸增大,而工況二的圍巖孔隙水壓力沿圍巖深處方向先緩慢減小直至距隧洞3m處,隨后緩慢增大;考慮隧洞周邊圍巖滲透系數(shù)迅速增大,工況二下拱頂位移接近工況一下拱頂位移的兩倍,而工況二下拱底位移接近工況一下拱底位移的3倍。

3)隧洞在充水和排水后,圍巖塑性應(yīng)變均隨計(jì)算步而緩慢增大。在隧洞拱頂位置,工況一塑性區(qū)在隧洞充水和排水后變化較小,工況二塑性區(qū)在隧洞排水后增大。在隧洞拱底位置,隧洞充水和排水后,兩種工況下隧洞塑性區(qū)范圍均有所增大。

4)通過數(shù)值結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對(duì)比,考慮滲透系數(shù)變化的工況二更符合實(shí)際工況,結(jié)果更為合理、準(zhǔn)確。