地下洞室自稳性的尺寸效应研究

(桓仁县水务移民服务中心，辽宁 桓仁 117200)

随着技术的发展和进步，我国水利工程建设必将面对更为复杂的地质环境。较大规模的水电工程建设必然会需要开挖大量地下洞室，由于这些地下洞室的稳定性对工程本身的安全性、可行性具有重要影响，对其进行稳定性评价就成为水电工程建设的重要课题[1]。虽然水电工程的地下洞室建设会避开大规模断裂地层，但是小断层和节理发育往往不可避免，并可能对洞室的稳定性造成影响[2]。显然，在类似的地质条件下，地下洞室的尺寸不同，其潜在的变形与破坏方式也有所不同，因此，也应该选择不同的开挖和支护方式[3]。因此，展开对地下洞室自稳性的尺寸效应研究具有重要理论意义和工程价值。

1 研究样本的选择

1.1 研究洞段

为了研究洞室尺寸在自稳性方面的效应，需要选择不同尺寸的样本洞段进行模拟，并且这些洞段应该具有相似的工程地质条件[4]。基于上述考虑，本次研究以辽宁省胜利水电站的地下洞室为研究对象，从高程、地应力、岩性以及洞室的宽高比例等方面进行综合考虑，最终选择发电厂房、安全洞、通风洞和排水廊道LD1-1与LD1-2三种不同尺寸的洞室展开研究(洞室样本的条件见表1)。由表1中的数据可以看出，所有样本的洞室宽高比均接近1∶1，且三种不同尺寸的洞室处于同一区域，具有相似的地应力条件，高程也基本相同，基本满足本次对比研究的要求。

表1 各洞室样本的条件比较

1.2 岩体结构特征

本次研究中的小尺寸洞段为排水廊道LD1-1和LD1-2，总长度分别为76.45m和65.43m，围岩以Ⅱ类和Ⅲ类为主，岩体结构主要表现为块—次块状；中尺寸洞段为安全洞和通风洞，总长分别为38.50m和51.50m，围岩以Ⅱ类为主，部分部位为Ⅲ类，岩体结构主要表现为块—次块状；大尺寸洞段为发电厂房，围岩以Ⅱ类为主，部分部位为Ⅲ类，岩体结构主要表现为块—次块状(围岩结构与类别见表2)。由此可见，中尺寸洞室的围岩最好，小尺寸洞室次之，大尺寸洞室的围岩最差。究其原因，主要是排水廊道存在较多同向节理发育，造成围岩类别整体偏低。

表2 围岩结构与类别统计

1.3 样本洞段变形破坏特征

对样本洞段进行实地考察，结果显示不同尺寸的洞段在变形破坏方面具有不同特征。其中，小尺寸洞室基本不存在结构控制型变形破坏，主要表现为应力控制型变形破坏，部分表现为应力—结构控制型变形破坏，如片帮现象和缓倾角剥落；中尺度样本洞段的围岩情况最好，变形破坏主要表现为结构控制型和应力—结构控制型变形破坏，例如张裂塌落、滑落掉块等；大尺寸洞室的变形破坏模式最为全面，但是以结构控制型变形破坏为主，部分表现为应力—结构型，应力控制型破坏较为少见。

2 模型的构建

2.1 构建依据和思路

对胜利水电站地下洞室群不同尺寸样本洞段的岩体结构与变形特征进行的分析显示，地下洞室的岩体结构与变形特征与洞室尺寸有关，存在一定的尺寸效应。总体来看，洞室尺寸较大时，围岩的岩体结构主要表现为块状和次块状，局部存在镶嵌结构，变形以结构控制型为主；洞室尺寸较小时，围岩的岩体结构主要以块状为主，不存在镶嵌结构，变形主要以应力控制型为主。本次研究拟通过应力、变形、塑性区以及自稳性等视角对上述尺寸效应进行深入探究[5]。鉴于上述方面的数据难以通过现场考察获取，因此拟利用FLAC3D有限差分软件进行数值模拟分析，最后利用Tecplot软件对计算结果进行处理分析[6]。

2.2 模型的构建

由于样本洞段包括三个不同的尺寸，因此，模型试验建立5个洞室断面FLAC3D有限元模型，编号分别为A、B、C、D、E。其中，A、B、E三个断面分别对应样本中的小尺寸、中尺寸和大尺寸断面，C、D两个断面为增加断面，洞室的拱顶为圆弧形。根据相关研究结论，模型的尺寸为断面尺寸的5～8倍最为合理，本次研究中按照6倍取整，最终获得模型断面尺寸(见表3)[7]。

表3 模型断面尺寸设计

2.3 参数与边界条件

由于样本洞段的围岩以Ⅱ类围岩为主，根据相关研究资料[8]和实验室实验结果，对计算模型的参数进行概化(见表4)。模型边界采取底部固定约束，在初始应力生成阶段，在三个方向均进行位移约束，在计算阶段X、Y方向分别约束法向线位移，模型顶面无约束。

表4 围岩物理力学参数

3 模型计算结果与分析

3.1 洞室变形特征对比分析

利用构建的FLAC3D模型对不同尺寸洞室的弹性位移进行模拟计算。由计算结果可知，断面A和断面B，也就是洞室尺寸较小时，洞室受到自重应力的影响较小，位移变形主要受构造应力场影响，位移变形主要集中于下游侧的右边墙和拱肩，变形量与洞室尺寸间基本为线性关系；在洞室尺寸为15m，也就是断面C条件下，自重影响范围明显增大，洞室位移变形主要分布于右边墙和拱顶，变形量与洞室尺寸间已经不能通过线性关系描述；在洞室尺寸较大时，自重应力成为洞室位移变形的主要因素，主要变形出现在拱顶和右拱肩，变形量与洞室尺寸表现为非线性关系。利用计算结果对洞室总位移量和洞室尺寸进行回归分析(见图1)。由图1可知，位移量与洞室尺寸关系可以用二次函数近似表达。

图1 位移量与洞室尺寸回归分析

3.2 洞室塑性区特征对比分析

针对胜利水电站地下洞室群的实际地质条件，利用构建的模型对不同尺寸条件下的洞室塑性区进行数值模拟研究。根据获得的各个模拟断面的塑性区计算结果，当洞室尺寸较小时，边墙和底部的塑性区深度最大，拱顶次之，随着洞室尺寸的逐渐增大，塑性区深度上的差异逐渐变小，相对而言，边墙的底脚与顶脚位置的塑性区深度略小，当洞室尺寸较大时，各部位的塑性区深度基本趋于一致，不存在明显的差异。利用计算成果，对塑性区深度和洞室半径进行回归分析(见图2)。由图2可知，塑性区深度与洞室尺寸关系可以用二次函数近似表达，说明在复杂的地应力环境下，塑性区深度和洞室尺寸之间并不是简单的线性关系，在洞室尺寸较小时，塑性区深度随洞室尺寸的增加变幅较小，当洞室尺寸较大时，塑性区深度增加比较迅速。

图2 塑性区深度和洞室半径回归分析

3.3 洞室自稳定性对比分析

对地下洞室开挖后的位移变形以及塑性区深度的研究结果显示，两者存在明显的洞室尺寸效应，并且近似表现为二次函数关系，这说明洞室尺寸增大，其自稳定性会大幅降低，产生变形破坏的可能性显著增大。

图3 Ⅰ型围岩节理组合

以上分析均将洞室围岩视为均匀连续介质，在洞室围岩中存在不连续结构面的情况下，洞室的变形破坏亦存在尺寸效应。具体而言，尺寸较小的洞室围岩可以视为整体状态结构(见图3)，围岩的变形机制主要表现为弹性与塑性变形，变形量较小，可以忽略不计；当洞室尺寸增大后，洞室围岩的结构面表现为“层”状(见图4)，其变形主要呈现为弯曲变形，同时辅以结构面的张合变形。此外，若考虑应力因素，围岩的片帮变形亦包含在内，而围岩材料变形的占比不断缩小；当洞室尺寸进一步增大时，围岩被节理切割为较小的块体(见图5)，变形主要呈现为滑动和滚动变形，辅以结构面的张合，围岩材料变形的占比进一步缩小；当洞室尺寸进一步增大时，围岩被节理分割成的块体相对于洞室而言体积更小(见图6)，变形主要表现为碎块的滑动、滚动和塌落，塑性变形占比进一步减小，可以忽略不计。总之，洞室的断面尺寸会对围岩的结构类型造成显著影响，进而影响到围岩的变形机制和变形量。

图4 Ⅱ型围岩节理组合

图5 Ⅲ型围岩节理组合

图6 Ⅳ型围岩节理组合

4 结 论

大型水电工程往往需要建设诸多地下洞室，从而形成地下洞室群。工程实践显示，这些洞径不同的地下洞室虽然具有类似的地质环境和围岩性质，但是洞室破坏往往存在显著不同的特征，因此，认为洞室变形破坏存在尺寸效应。

本文以辽宁省胜利水电站的地下洞室群为例，选择不同尺寸的洞室断面，利用FLAC3D软件对洞室变形的尺寸效应展开研究，并获得如下结论：样本洞段的围岩以Ⅱ类和Ⅲ类为主，岩体结构主要表现为块—次块状，中尺寸洞室的围岩最好，小尺寸洞室次之，大尺寸洞室的围岩最差；样本洞段变形破坏主要包括结构控制型、应力控制型以及应力—结构控制型三种主要型式。其中，结构控制型变形破坏最多，应力—结构型次之，应力控制型破坏比较少见；模型模拟计算结果显示，洞室变形位移、塑性区深度与洞室尺寸之间并不是线性关系，可以用二次函数关系近似表达，说明洞室尺寸增大，其自稳定性会大幅降低，产生变形破坏的可能性显著增大。