某水库边界下方平硐区域稳定性分析

杜 森

（宽城建龙矿业有限公司，河北 承德 067000）

1 概述

某水库库容5400 万m3，坝高80m。水库东边界以西72m 下进行了平硐巷道开挖工程。由于平硐硐身岩系含水空间较发育，裂隙贯通性能一般，岩体为弱富水性。平硐掘进后，岩体裂隙发育程度加剧，平硐上方地表河流对平硐地下水间接补给，平硐硐身充水量将随之增加。如果平硐开挖后，岩体裂隙过分发育，造成水库内水体对地下水间接补给量增大，则既影响平硐本身的稳定性，也会对水库安全造成不利的影响。因此，急需对水库边界下方平硐区域的稳定性开展研究。

目前，数值模拟方法广泛的应用于平硐开挖、边坡稳定性分析等领域[1-4]，其方法的准确性与可靠性得到了十分广泛的验证。刘建兵对平硐开挖引起的边坡稳定性问题进行了数值模拟分析[5-7]。张云鹏应用Ansys 对边坡的稳定性进行了数值模拟分析[8，9]。均取得了较为理想的研究结果。在借鉴前人工作的基础上[7，10，11]，采用 Ansys 数值模拟软件，对水库边界下方平硐区域的稳定性进行数值模拟分析。

2 分析区域地质概况

分析区域位于天山北麓中低山区，山脉呈东西向延伸，总地势南高北低，具有由南向北呈阶梯状递降的特点。库坝区附近海拔1554-1637m，相对高差120-160m，塔西河横穿山体流入准噶尔盆地。水库库坝区以峡谷地貌为主，河流总体流向近SN 向，与岩层走向近垂直。库区河谷呈“U”型，谷底宽 350-900m，谷坡 45-65°，地形较为宽阔，构成较好库盘，库区两岸山势较高，山体雄厚，基岩裸露，沿河两岸有阶地分布。

表1 力学参数

进入坝区后，地形骤陡，形成高达90-120m 的峡谷地形，俗称“石门”，河谷呈“U”型，构成良好的坝址地形。在坝前，近东西向分布的山体高耸，奇峰林立，形成山势雄伟的地貌景观。坝址下游，河谷开阔，为宽谷地貌，沿河有河漫滩及I-Ⅳ级阶地分布，尤以Ⅳ级阶地分布最广泛。

岩性以粉、细砂岩为主，灰色-灰黑色，细腻、砂质胶结，半坚硬；夹薄层粗砂岩及砂砾岩。少见裂隙，未发现断裂、破碎带等不良地质体。岩体较为完整，风化不强烈，岩石强度较高。

分析区域水文地质条件较简单，地下水类型为现代河床及河漫滩砂砾卵石层中的孔隙潜水和大气降水补给的少量裂隙水。根据钻孔揭露数据，河床卵砾石层地下水丰富，透水性较大，地下水位埋深0.5-2m，一般为河水补给地下水。裂隙水一般水量很小，分布高程均高于河水位，即坝区基岩裂隙水补给河水。裂隙类充水矿床地下水分布极不均匀，上述结果多取自涝坝湾煤矿副井平硐枯水时节，丰水时节矿井涌水量将有所增大。同时，以上涌水量预算结果，不含井巷突水，老窑、涝坝湾煤矿南部火烧区积水溃入，地表灌水等其它因素。

3 数值模拟分析

根据分析区域地质概况，平硐上方岩层划分如图1所示。主要分为粉砂岩与细砂岩。两种岩体的力学参数如表1 所示。根据岩层划分，建立Ansys 数值模型，网格划分如图2 所示。分别赋予两种岩体表1 中的力学参数，开展数值模拟分析。

得到竖直位移云图与水平向位移云图如图3 和图4所示。由图可知，地表竖直方向沉降位移为0.5982cm，沉降位移十分微小。且上部沉降较为均匀，并未受到平硐开挖影响。而地表水平向位移没有受到平硐开挖的影响，并未产生相应变化。经过进一步计算，得到竖直应力云图和水平应力云图如图5 和图6 所示。由图可知，平硐开挖并未引起浅层岩体竖直应力发生突变。也未引起水平向应力变化，这与位移云图的计算结果相一致，进一步验证了结果的准确性。

图1 平硐区域岩层划分

图2 网格划分

图3 竖向位移云图

同时得到分析区域剪切应力云图如图7 所示，由图可知，平硐开挖只在其附近区域引起了剪切应力变化，并未对地表造成影响。

图4 水平向位移云图

图5 竖向应力云图

图6 水平向应力云图

图7 剪切应力云图

4 结论

平硐开挖后，地表竖直位移沉降值为0.5982cm，沉降位移十分微小，且地表附近浅层岩体沉降均匀，同时，水平向位移也没有发生突变，地表并未受到平硐开挖影响而引起大范围位移沉降突变。同时，平硐开挖并未引起浅层岩体竖直应力与水平向应力发生突变。剪切应力也只对平硐开挖区域有一定影响。这与位移沉降结果的变化趋势相一致，两者相互验证，进一步验证了结果的准确性。综上所述，平硐开挖不会对上部水库边界造成不利影响。