节理产状对输水隧洞围岩稳定性的影响

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 工程简介

辽宁省观音阁水库输水工程是自辽宁省本溪县的观音阁水库库区自流引水，经过输水管线及隧洞，将水引到本溪市的一项大型引水工程，工程设计输水规模为125万m3/d[1]。主要包括取水头部、输水隧洞、电站、输水管道、配水站及分支管线等工程，工程等别为Ⅱ等。

该工程一标段输水隧洞沿线属于辽东山区典型的低山地貌类型，基岩大部分裸露，植被发育，地形起伏较大，沟谷发育，多为宽缓开阔U形谷。洞线穿越主要冲沟段为观音阁电站后沟、小汤河沟。该段地层以沉积岩为主，主要为元古界青白口系钓鱼台组石英砂岩与南芬级薄层及中层泥灰岩、页岩。该标段断裂构造较发育，这些断层走向可大体分为6组，即近SN向、近EW向、NNE向、近NE向、NW向和旋转断层。沿洞线地下水类型主要分为松散岩类孔隙潜水、岩溶水、基岩裂隙水三大类。在工程选址区内，节理裂隙发育，使输水隧洞围岩表现出显著的不连续性。由于输水隧洞较长，中间还需要多次转向，难免会以不同方式穿越节理和断层等软弱结构面，因此，分析节理走向和倾角对隧洞围岩稳定性的影响就显得极为必要。

2 3DEC离散元计算模型的构建

2.1 3DEC离散元程序

离散单元法(DEM)的基本假设是：岩体被节理裂隙切割成大小不等的岩块，这些岩块通过镶嵌的方式排列在一起，并处于平衡状态，当计算块体受到外部荷载的作用时，不仅自身会产生位移和应力变化，各个块体之间的位置和作用力也会随之改变[2]。该方法主要是基于上述变化对岩体沿着节理或断层发生的滑移或旋转进行模拟，进而分析岩体工程破坏过程。

3DEC是基于离散单元法进行非连续介质力学模拟计算的岩土工程软件，主要适用于存在不连续面的节理岩体和砌体结构等的变形与破坏机理研究，在处理这类岩体在外部荷载作用下的静态和动态响应方面具有显著优势[3]。

2.2 模型的建立

现实中的诸多工程问题比较复杂和难以解决，需要借助数值模型的研究，但是当前存在的一个误区就是模型要尽量反映所有的工程细节，这事实上会造成模型本身异常复杂，反而不利于问题的解决，因此，在利用块体离散单元时，首要任务是对模型进行简化，以逐步发现实际工程条件下的决定性参数。在本文研究的问题中，假设节理的走向会对围岩稳定性产生影响，因此，在模型构建中以节理平行、斜交和垂直于输水隧洞的走向，以30°、45°及60°三种不同倾角相互组合构建具体的节理模型。

3 计算结果及分析

3.1 节理走向与输水隧洞走向平行

3.1.1 位移场分析

图1 节理通过隧洞上方时的位移云图

图2 节理通过隧洞中心时的位移云图

图3 节理通过隧洞下方时的位移云图

利用构建的模型，对不同45°倾角条件下的输水隧洞开挖后的竖位移场进行计算(见图1～图3)。由图可知，在输水隧洞开挖之后，顶部岩体发生沉降，底部岩体发生隆起，同时位移场均偏向节理一侧。其中，当节理通过输水隧洞中心时，顶部和底部的位移最大；节理通过输水隧洞上方时顶部沉降量较大，通过下方时底部隆起量较大。利用模型对倾角30°和60°条件下的位移场进行计算，结果显示出相似的位移场分布规律，这里不再详述。为了比较不同节理倾角对位移场的影响，根据计算结果提取出不同倾角的节理穿过输水隧洞中心时上下部岩体的竖向位移量和左右侧岩体的水平位移量，并进行对比分析。结果显示，输水隧洞上下部分岩体的竖向位移会随着倾角的增加而减小，而两侧的水平位移会随着倾角的增加而增大。总体而言，在隧洞开挖之后，围岩岩体的位移均指向隧洞中心，而左右两侧的水平位移量是上下部分竖向位移量的两倍左右，同时，当倾角增大时，输水隧洞的不均匀变形明显增大，对围岩的稳定性不利。

3.1.2 应力场分析

图4 上方节理水平应力云图

利用模型计算的方式获得不同工况下输水隧洞围岩的水平和竖向应力云图(见图4～图9)。由图可知，输水隧洞开挖之后，后壁出现应力集中现象，最大集中应力表现为水平应力。其中，节理穿过输水隧洞的上方和下方时，最大集中应力值为22～24MPa，节理穿过隧洞中心时的集中应力值最大，为30MPa，因此，为保证输水隧洞开挖和支护安全，在工程设计时应当尽量避免较大倾角的节理直接穿过输水隧洞。

图5 上方节理竖向应力云图

图6 中心节理水平应力云图

图7 中心节理竖向应力云图

图8 下方节理水平应力云图

图9 下方节理竖向应力云图

3.2 节理走向与输水隧洞走向斜交

3.2.1 位移场分析

利用构建的模型，对垂直于XY平面的节理与输水隧洞轴线夹角分别为30°、45°及60°的Z方向与X方向位移进行计算，获取不同工况下的位移云图。由计算结果可知，输水隧洞与节理相交部位会发生比较明显的错动变形，并且薄弱之处的位移量最大。从倾角的变化情况来看，随着节理与输水隧洞夹角的增大，隧洞两侧的水平位移逐渐减小，当两者的夹角为30°时，两侧的水平位移最大，为1.10cm。节理与输水隧洞相交部位的竖向位移主要出现在顶部两侧，并且随着节理与输水隧洞夹角的增大而逐渐减小，因此，面对这种节理时，应该特别注意输水隧洞两侧边壁的支护。

3.2.2 应力场分析

利用构建的模型，对垂直于XY平面的节理与输水隧洞轴线夹角分别为30°、45°及60°的Z方向与X方向的应力进行计算，获取不同工况下的应力云图。由计算结果可知，输水隧洞与节理相交部位出现应力集中现象，说明该部位是围岩滑动的易发区域，因此面对这种节理时，应该特别注意输水隧洞两侧边壁的支护。

3.3 节理走向与输水隧洞走向垂直

3.3.1 位移场分析

利用构建的模型，对垂直于YZ平面的节理与输水隧洞轴线夹角分别为30°、45°及60°三种工况下的围岩位移特征进行计算，获得不同工况下的位移云图。由计算结果可知，输水隧洞的两端分别出现抬升与俯冲，出现十分明显的上下错动，特别是相交部位的岩体位移较大，最大的位移量出现在巷道的上下位置，同时，随着节理倾角的减小，错动区域范围呈现出逐渐扩大的趋势。

3.3.2 应力场分析

利用构建的模型，对垂直于YZ平面的节理与输水隧洞轴线夹角分别为30°、45°及60°三种工况下的围岩应力进行计算，获得不同工况下的应力云图。由计算结果可知，输水隧洞边壁出现应力集中，特别是节理与输水隧洞相交部位的应力很高，围岩极易发生破坏。从夹角的变化来看，随着节理和输水隧洞夹角的减小，上下岩体的集中应力明显增加，当夹角为 30°时集中应力值最大，为45MPa，因此，为保证开挖和支护安全，应该在设计中尽量避免交角较小的节理穿过输水隧洞，如无法避免，必须加强对输水隧洞上下部分岩体的支护。

4 结 论

地下洞室工程施工过程中，难免会遇到节理和裂隙等不良地质情况，而地下洞室围岩被上述软弱结构面切割，会大幅降低岩体强度，造成围岩失稳甚至坍塌。本文以观音阁输水工程复杂地质地段输水隧洞为例，利用数值模拟的方法研究了节理产状对输水隧洞围岩稳定性的影响，获得如下结论：当节理面穿过输水隧洞中心时，隧洞拱顶与拱底会产生较大的位移量，而节理面偏向输水隧洞某侧时，该侧围岩的位移量会有一定程度的增加；当节理面与输水隧洞斜交时，输水隧洞会沿着节理面方向错动变形，并且随着节理面与输水隧洞轴线夹角的减小，错动幅度会明显增加；在节理面与输水隧洞相交部位会出现较大的应力集中，因此工程设计中应当尽力避免节理面长距离贯穿。￯