苏阿皮蒂软硬交替复合平洞顶板岩体变形破坏分析

杨金林 符新阁

苏阿皮蒂（Souapiti）水电站[1]位于几内亚的西部，是KONKOURE河梯级开发中非常重要的一个梯级电站。该电站设计校核洪水位213.56 m，正常蓄水位210 m，坝顶高程215.5 m，坝顶长度1 164 m，最大坝高120 m，正常蓄水位对应库容约63.17亿m3，为大（1）型水库，是目前西非在建的最大水电工程。

坝址枢纽区两岸地层岩性为奥陶系（OMss）近水平状薄层状砂岩和薄层状泥质粉砂岩，砂岩为相对较坚硬岩，泥质粉砂岩为软岩。泥质粉砂岩具有遇水软化，失水收缩等特征。对于位于软硬交替复合岩体中的平洞，顶板岩体的变形破坏方式直接影响着平洞的支护体系的选择及其稳定性，鉴于层状岩体平洞围岩受载变化过程复杂，顶板会出现一次或多次离层运动，其变形破坏特征较一般的岩体也有区别。软硬交替复合层状岩体变形破坏特征也不能用传统的岩石力学理论进行解释。为此，本文结合现场开挖情况，采用理论分析和数值模拟方法，对层状软硬交替复合岩体开挖后变形破坏特征进行分析，得出了一些有益的结论，结论可为软硬交替复合顶板平洞支护提供一些有益的指导。

1 平洞顶板地层岩性物理力学性质

苏阿皮蒂平洞埋深约11.6 m，形状为近正方形，顶部岩体为泥质粉砂岩和砂岩软硬交替岩体，其泥质粉砂岩和砂岩分布厚度见表1。

表1 平洞顶板岩层物理力学参数

2 岩体变形破坏理论分析

软硬交替层状岩体可以看成是由一系列组合板构成的整体，其变形也假设为多组组合的弯曲变形。当多组组合板扰度一致时，岩层不会出现离层现象，当组合板挠度不一致时，岩层与岩层之间出现离层，层间出现孔隙，出现剥离现象。挠度的出现与岩石的弹性模量、厚度、重度有着密切的关系。根据组合梁原理，组合板中第n层对第1层形成的荷载qn，1为：

当组合板间出现离层是，必须满足qn,1＞qn+1,1，即：

化简得：

砂岩的弹性模量远大于泥质粉砂岩的弹性模量，假设当平洞上部硬岩层破坏后，软岩也随着破坏。平洞冒落带高度一般为2～3倍开挖直径，平洞直径约2.5 m。按照2倍洞径计算，平洞顶层岩体的高度从10层开始算起。

第10层，由公式（2）计算得：

左式＞右式，4层与6层出现层理现象。

同理：第12层，

左式＞右式，12层与10层出现离层现象。

同理：第14层，

左式<右式：第12层与第14层未出现离层现象，即12和14层组成第1个支撑层，支护体系所受荷载主要来源于其下岩层荷载，即苏阿皮蒂平硐顶板支护厚度至少应为

3 岩体变形破坏数值模拟分析

3.1 离散元模型

三维离散元软件分析（3DEC）计算模型如图1所示。平洞形状为近正方型，尺寸2.5 m×2.5 m。

图1 离散元计算模型

模型边界x、y方向采用位移约束，z方向底部采用位移约束，顶部覆盖层厚度约5.0 m，采用等效荷载85.5 kPa（γ=17.1 kN/m3）作用于z方向基覆边界。对岩体采用M-C强度准则作为屈服准则，对于岩体层理弹性模型，屈服准则为Coulomb滑动准则。

3.2 岩体物理力学指标

模型中岩层的剪切模量、体积模量按下式确定：

层理面（结构面）的法向刚度、剪切刚度，其数值按下式进行估算：

式中Ks、Kn——分别为节理法向、切向刚度，GPa/m；

Em、Er——分别为连续介质的弹性模量、岩石的弹性模量，GPa/m；

Gm、Gr——分别为连续介质岩体的剪切模量、岩石的剪切模量，GPa/m；

S——岩体主要结构面的平均间距，m。

上式公式的应用需要考虑到结构面的充填物质对其结构面强度指标的弱化作用，结合公式并结合室内试验成果，选取泥质粉砂岩Ks=0.220×108GPa/m，Kn=0.132×108GPa/m；砂岩Ks=1.200×109GPa/m，Kn=0.820×109GPa/m，其它物理力学参数见表1。

3.3 模拟结果分析

模型采用先加载后开挖以模拟开挖后平洞周边位移场、应力场、塑性区的变化规律。

图2为平洞开挖前位移矢量图。由图2可知，模型经过3 000迭代步数运行后，监测的最大不平衡力和位移矢量达到平衡状态，表明构建的数值分析模型达到平衡状态，初始应力赋存状态已经完成。

图2 平洞开挖前位移矢量图

图3为平洞开挖后位移矢量影响区。图3可知，水平软硬交替复合顶板平洞的变形主要出现在顶板和底板，最大变形出现在顶板，而两帮变形较小，塑性区也呈现同样的破坏规律，分析原因为：一是离散元软件充分考虑到岩层的弯曲变形和破坏特点，二是离散元软件充分考虑了层理面对平洞围岩稳定性和承载能力的影响。图3中平洞顶板位移场矢量图影响最大范围为4.97 m，相比板梁理论支护厚度的4.5 m，误差率为10.4%。

图3 平洞开挖后位移矢量影响区

图4为平洞开挖后塑性分布图。图4表明平洞顶板破坏以剪切和拉伸为主，底板以剪切为主。平洞开挖后形成的塑性区具有明显的隔层破坏特征。由于软硬交替复合岩体中，顶板硬岩弹性模型远大于软岩弹性模量，硬岩变形较小，软岩变形较大，硬岩为平洞的支撑层，若硬岩层破坏后，软岩也随着破坏。根据塑性分布图，泥质粉砂岩破坏位置为平洞顶4.5 m，为洞顶第11层泥质粉砂岩，与板梁理论确定的支护厚度一致。

图4 平洞开挖后塑性分布图

4 结语

（1）苏阿皮蒂水电站水平软硬交替复合顶板平洞的变形主要出现在平洞顶板和底板，最大变形出现在顶板，而两帮变形较小，说明层理面对平洞围岩稳定性和承载能力影响较大。

（2）平洞软硬交替复合顶板岩体存在离层现象，离层以下岩体即是平洞需要支护的荷载影响圈。

（3）根据梁板理论计算荷载圈为4.5 m，梁板理论确定厚度与数值模拟位移场确定厚度误差率为10.4%，与塑性区确定厚度一致。