基于参数折减法的绿片岩围岩稳定性分析

2018-03-16王军磊张继勋任旭华

三峡大学学报(自然科学版) 2018年1期

王军磊张继勋任旭华

(河海大学水利水电学院，南京 210098)

1 工程概况

某引水式电站地处我国西南，地质条件复杂，存在绿泥石片岩软岩地层，引水隧洞群由4条长约16.7 km的隧洞组成，采用马蹄形隧洞断面，钢筋混凝土衬砌与围岩喷锚支护联合承载共同确保隧洞的稳定性，衬砌后洞径为10.6 m×11.2 m．绿泥石片岩洞段埋深约1 700 m，自重应力约40 MPa，运行期外水水头取多年平均水头227 m，内水压力为0.226 MPa，洞室围岩处于高地下水位、高地应力状态．绿泥石片岩相比一般硬岩，强度低，弹性模量小，水岩作用容易导致岩体发生软化现象，材料参数弱化，同时也是引发工程地质灾害问题的主要影响因素之一[1]，国内就水岩作用对岩石力学性质影响的研究已取得较为丰硕的成果，研究表明，水岩作用对岩石强度和变形劣化效应明显[2]，尤其对于部分软岩[3]，如绿泥石片岩．根据绿泥石片岩力学参数性质[4-5]得知：饱和岩体强度和弹性模量仅为干燥状态的50%，干燥状态下的岩体力学参数远大于饱和状态．

目前，绿泥石片岩遇水软化现象的研究仍处于定性阶段，于德海等[6]在黑河水利工程对绿泥石片岩的研究表明，地下水作用对绿泥石片岩强度影响明显，并且围岩参数随着围压变化呈现一定的规律性；周辉等[7]通过室内对比试验发现，绿泥石片岩在干燥状态的强度和弹性模量远大于饱和状态，具有明显的遇水软化特征；李震[5]在研究水化学作用对绿泥石片岩力学特征的影响时，利用三轴试验对水岩作用下岩体的强度变形进行分析，结果证明饱和岩体的强度和弹性模量小于干燥状态，并且围压的升高会降低水对岩石的软化效应．绿泥石片岩明显的遇水软化特征表明，对于存在绿泥石片岩的地下工程，外界水环境会影响工程的安全稳定．

本文在王涛[8]等人对软岩隧洞围岩单参数敏感性分析的基础上，利用有限单元法和多参数折减系数法，针对该工程地下水引起的高应力和高外水压力等问题，分析绿泥石片岩洞段在时间效应作用下，不同工况围岩多参数变化的受力变形特性，为工程长期安全运行提供理论支撑．

2 绿泥石片岩软化问题分析方法

2.1 本构模型

在岩土工程领域，数值模拟已经成为解决实际问题的一种有效手段，尤其在地下工程中，计算理论从最初的荷载结构法发展到地层结构法，且分析过程逐步精细化．其中有限单元法的发展最为成熟，得到广泛应用，对复杂边界条件有很好的适用性，能方便地处理材料、几何及接触等各种非线性问题，并且对施工过程有良好的模拟能力．考虑绿泥石片岩强度低，弹性模量小，应力应变规律的非线性特点，基于大型商用软件ABAQUS本身强大的非线性有限元计算，分析绿泥石片岩洞段在不同工况下围岩的受力变形特性．本文应用其自带的弹塑性模型，D-P准则，强度准则推广成为以下形式：

(1)

式中，I1=σii；J2=sijsij/2；sij=σij-σkkσij/3为应力偏量[9]；参数α、k计算由岩土材料的粘聚力c和内摩擦角φ确定．

(2)

(3)

2.2 几何模型创建原则

为保证计算精度，模型计算顺序按照隧洞开挖、锚杆支护、衬砌和钢筋支护的施工过程模拟．网格划分采用雅克比系数<0.7的六面体单元，衬砌结构单元厚度尺寸控制在0.2 m，外部灌浆圈厚度控制在0.5 m．创建模型时，结合实际工程对围岩4 m内的强度参数试验，将初衬以外每隔1 m设置成一个集合，共设置4个集合，集合由里向外定义为软化区a、b、c、d，对集合部分精确划分，以便进行围岩遇水软化模拟．钢筋模拟采用分离式钢筋模型，按实际配筋参数进行杆单元模拟，以分析钢筋的受力状态和作用．在ABAQUS有限元软件中使用“*EMBEDDEDELEMENT”命令将锚杆定义为嵌入式杆单元，计算时将搜索嵌入单元的节点和主体单元的几何关系，只考虑锚杆的受拉和受压作用．

3 绿泥石片岩软化问题分析过程

3.1 计算模型

选取典型绿泥石片岩洞段，考虑围岩弹性抗力的作用，按照引水隧洞和辅助洞、排水洞整体洞群建模．将模型上下边界距离洞轴线各取150 m，右边界到辅助洞中心为100 m．整体直角坐标系OXYZ，沿水流为Y轴正向，垂直水流为X轴正向，竖直向上方向为Z轴正向．模型边界条件应用位移约束与荷载边界相结合的方式，底部及两个侧向施加法向约束，其余3个面进行荷载约束，围岩、灌浆圈采用弹塑性模型和摩尔库伦准则，衬砌、钢筋及锚杆为线弹性模型，共剖分六面体单元14 944个，节点19 045个，锚杆单元5 352个，钢筋单元3 928个，具体模型如图1、图2所示．

图1 绿泥石片岩断面整体模型图2 细部结构模型

3.2 计算参数

计算采用的相关支护参数，由地质工程勘测部门提供，并在此基础上，根据实际工程监测得到的位移值反演论证了围岩参数的准确性，模型参数见表1．

表1 材料计算参数

3.3 计算工况及作用组合

绿泥石片岩遇水软化直接导致隧洞围岩参数的弱化，为了更好地将围岩参数弱化程度具体化，引入折减系数η的概念，对围岩参数进行实数化折减．将该岩体遇水软化后表现的强度削弱转化为不同程度的力学参数折减形式，折减系数η与强度的关系式如下：

(4)

式中，σc为干燥条件下岩体单轴抗压强度；σcw为岩体遇水后单轴抗压强度．

根据工程实际，考虑隧洞在内外水作用下围岩和支护的长期受力特征，岩体不同程度的遇水情况，强度削弱程度也就不同．当围岩达到完全饱和时，绿片岩强度折减系数为0.5，即力学参数将弱化为原始参数的50%．基于王涛[8]等人对软岩隧洞围岩单参数敏感性分析，选择弹性模量、粘聚力两个参数计算探究．本文模拟绿泥石片岩隧洞段的初始地应力场和开挖，在此基础上根据围岩不同充水条件，将围岩软化区按不同遇水软化条件设置．

表2 软化系数及水头参数

结合实际工程对围岩的参数试验和软化过程的时间效应，围岩充水发生软化现象的范围和程度将逐步加大，主要考虑见表2的5个工况条件：工况1，围岩没有发生软化，岩石材料参数保持不变；工况2，软化区a遇水发生初步软化现象，该区域参数折减系数取0.8，其余不变；工况3，随着工程的长期运行，围岩遇水软化范围扩大，程度加深，区域a的折减系数取0.65，区域b的折减系数取0.8，其余不变；工况4，软化范围扩大到c区，区域a的折减系数取0.5，区域b的折减系数取0.65，区域c的折减系数取0.8；工况5，4个区域内均发生不同程度的遇水软化现象，区域a、b岩石遇水饱和，折减系数取0.5，区域c的材料折减系数取0.65，区域d的折减系数取0.8．

3.4 计算成果及分析

根据工程实际情况，对初始应力场和渗流场进行拟合，分析围岩、衬砌结构、锚杆、钢筋在5种工况下的受力情况特性．

3.4.1 围岩

存在内外水压力的状态下，围岩未软化工况与软化工况的受力分布对比得知，隧洞断面的最大位移均出现在底板稍偏左部位，最大拉应力分布在洞周周围，最大压应力分布在软化区d外侧左下和右上位置，5种工况的受力特性基本一致，且位移数值证明围岩的大变形现象，具体见表3．

表3 围岩断面位移与应力最大值

随软化程度和软化范围的增加，围岩的应力应变呈现不同程度的增大趋势，工况5的受力情况最为严重，隧洞断面最大位移为22.36 cm，相对于工况1，洞底位移增幅达到7.97%．根据《水工隧洞设计规范》(DLT_5195-2004)，计算围岩的相对变形率为0.7%，小于规范允许值，围岩稳定，具体围岩变形如图3、图4所示．

图3 工况1围岩竖向图4 工况5围岩竖向位移云图(m) 位移云图(m)

整体洞周拉应力水平低，而软化工况下，拉应力增幅达到77.1%；在距离隧洞内缘6～8 m范围内有明显的压应力集中现象，数值最大为-72.15 MPa，增幅约8%，小于围岩允许应力；该隧洞断面的塑性区开展深度最大值出现在工况5，深度为7.0 m，相对于6 m/9 m的锚杆，塑性区开展深度在锚杆控制长度控制范围内，未出现连通的现象，同时保证锚杆穿入稳定围岩，松散岩体和稳定围岩连为整体．

3.4.2 衬砌结构

衬砌结构是承受围岩应力和变形的主要支护系统，建模时，在围岩稳定计算结束后，运用ABAQUS有限元软件里面的“*Model Change，Add”命令添加衬砌，真实地模拟施工过程．

5种工况下，衬砌的应力分布规律基本一致，最大拉应力范围是1.0～1.6 MPa，最大压应力范围-5.0～-6.5 MPa，工况5的应力值最大．衬砌最大压应力为-6.5 MPa，分布在底板两脚和拱顶位置，远小于混凝土的抗压强度标准值12.5 MPa，而拉应力的数值处于1.0～1.6 MPa之间，分布在拱底两侧，相对于工况1，增幅了55%，小于混凝土的抗拉强度标准值1.7 MPa，结构处于安全状态，具体如图5、图6所示．但随着软化程度的增加，拉应力有大于混凝土的抗拉强度标准值的趋势，同时绿泥石岩的软化作用使得衬砌结构某些部位出现拉应力集中且数值较大的现象，建议工程设计时提高这些区域的配筋率，以保证隧洞的稳定性．

图5 工况1衬砌最大图6 工况5衬砌最大拉应力云图(MPa) 拉应力云图(MPa)

3.4.3 锚杆、钢筋支护系统

锚杆是隧洞围岩的加固杆件结构，主要承受拉力作用，克服绿泥石片岩抗拉能力远低于抗压能力的不足．锚杆的普遍拉应力分布在3 m范围内，最大拉应力为179.2 MPa，出现在软化程度严重的工况5，相对于工况1，拉应力增加约75%，没有超过锚杆的设计抗拉强度300 MPa，锚杆系统可以发挥锚固作用．

钢筋混凝土衬砌是隧洞工程中常见的支护形式，钢筋一旦被拉坏或被压坏，衬砌即出现裂缝直至破坏，因此要对钢筋的受力情况进行验证．不同软化工况，钢筋受力分布一致，最大拉应力约10 MPa，分布在外侧钢筋底部两脚处，最大环向压力为-49.9 MPa，分布在内侧钢筋底部两脚处和顶部位置，如图7、图8所示．钢筋的受力情况满足设计要求．同围岩、衬砌和锚杆的应力分布规律相似，软化现象的产生，钢筋的受力情况存在恶化趋势．

图7 工况1钢筋最大图8 工况5钢筋最大压应力云图(MPa) 压应力云图(MPa)

3.4.4 对比验证

为验证计算模型和处理方法的合理性，将实际工程的安全监测资料与上述绿片岩隧洞遇水软化效应计算成果进行对比分析发现，实测围岩位移、衬砌拉应力、锚杆拉应力、钢筋压应力的变化范围与计算成果接近，说明本文采用的计算模型和围岩参数折减法适合于绿泥石片岩遇水软化特征的模拟．不同工况下，围岩、衬砌及支护系统的受力特性分布基本一致．软化程度和范围的加深，系统应力应变状态不断恶化，绿泥石片岩隧洞的稳定受到很大程度影响，随着软化范围的继续扩大，隧洞有破坏的可能，符合工程实际．当围岩处于工况5的软化条件时，工程结构相比未软化状态已经发生很大程度的恶化．绿泥石片岩的软化作用使得该隧洞的衬砌结构某些部位出现拉应力集中且数值较大，压应力也出现应力集中的现象，这些部位是绿泥石片岩隧洞的薄弱环节，是设计中值得重点关注的地方，建议在工程设计时提高这些区域的配筋率，以保持隧洞的稳定性．

工况5的软化条件比较符合现阶段隧洞运行条件，即：围岩4 m深度内发生软化，从表层到深部按1 m为单位，软化系数分别为0.5，0.5，0.65，0.8，符合工程试验中围岩参数的变化趋势．因此，围岩6 m范围内是加固的重点部位，实际工程采用偏安全处理，加固范围为10 m．本文描述工程在确保衬砌和围岩的承载能力，综合考虑绿泥石片岩隧洞的地质条件、岩体特征以及围岩的承载防渗要求等因素，设计拟定了“水泥灌浆为主、细水泥或化学灌浆补充”绿片岩洞段灌浆核心处理思路．针对绿泥石片岩遇水软化导致的恶化影响，在施工和运行过程中要对这种水岩作用采取具体控制措施，如严格的地质勘探，确保隧洞开挖的掘进方向上没有或少有导水裂隙；围岩开挖后，绿泥石片岩完全裸露，地下水会迅速与裸露的岩石结合，要及时喷浆封闭；一旦发现破坏区域，及时灌浆加固，防止绿片岩软化．