输水隧洞穿越河谷段上覆岩层厚度优化设计研究

2022-04-08李海军

水利技术监督 2022年4期

李海军

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁铁岭 112300)

1 工程背景

辽宁省某重点输水工程二期工程可以将工程的调入水量输送至辽西北地区的重要城市和工业区，可以有效促进水库以及河湖水系的连通，同时为农村地区提供饮用水和高效农业用水，并具备向周边地区供水的能力，具有十分重要经济效益、社会效益和生态效益。锦州输水隧洞是该工程白石段隧洞的一部分，主要用于解决锦州市、20家子工业园以及葫芦岛市城市生活和生产用水问题，隧洞全长35.06km，起点由输水主线压力隧洞末端的取水竖井，终点位于小凌河左岸滩地，隧洞为城门洞型断面设计，宽度和高度为4.6m×5.25m，设计最大输水规模为15.39m3/s[1]。隧洞全部采用钻爆法施工，隧洞起点底板高程100.0m，出口底板高程97.0m，洞底纵坡0.086‰，洞内水深3.95m，净空高度1.30m，净空率20.1%。输水隧洞穿越小西沟洞段位移桩号C1+203～C2+105之间，由于两岸山体较陡，坡度较大，河谷深切，因此河谷底部与隧洞的垂直距离较小。如果整体增大隧洞埋深，则会导致工程成本的大幅增加，否则不利于工程的安全稳定。基于此，此次研究利用数值模拟的方式，探讨研究洞段上覆岩层厚度的最小安全距离，以便为工程施工设计提供支持。

2 FLAC3D计算模型

2.1 软件选择

在岩土工程领域围岩稳定性分析的常用数值模拟方法较多，主要有有限元法(FEM)、离散单元法(DEM)、快速拉格朗日分析法(FLAC)、边界单元法(BEM)和不连续变形分析法(DDA)[2]。其中，FLAC(Fast Lagangian Analysis for Continua)是美国明苏尼达州咨询公司专门为地质工程研发额一款有限差分计算软件，不仅可以较好的对岩土材料达到强度极限或屈服极限后产生的破坏或塑像流动进行准确模拟，在应用于大变形时也能取得较好的效果[3]。基于此，此次研究选择FLAC3D软件进行背景工程计算模型的构建。

2.2 计算模型的构建

根据研究洞段的地质勘查资料，桩号C2+010～C2+42洞段位于河谷底部，上覆岩层的厚度最小，因此将该洞段作为研究洞段。该洞段的上覆岩层自上而下分别为Ⅳ类和Ⅴ类岩体，岩性主要是白云质灰岩、泥灰岩和钙质页岩。根据相关研究成果，均值弹性的圆形洞室在无限开挖时，围岩的应力应变在卸荷释放的作用下会发生一些变化，一般在洞室半径5倍之外的区域其影响不超过1%，在半径3倍之外的区域其影响不超过5%[4]。鉴于研究洞段为城门洞型断面，同时考虑到其他因素的影响，研究中选择5倍洞径确定计算范围，模型的顶部至地表[5]。对建立的几何模型利用6面体8节点实体单元进行网格剖分，对柱形隧洞的外围渐变放射网格进行建模，然后对模型网格进行离散化，最终获得10056个网格单元，11567个节点。在模型网格剖分过程中，不同部位的网格划分虽然相同，但是对不同类型的围岩进行不同的物理力学参数赋值，以有效模拟隧洞开挖后的变形情况[6]。有限元模型示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

2.3 边界条件与计算参数

在FLAC3D有限元软件中提供了12种本构模型，此次研究选择地质材料普遍选用以及对地下开挖均使用的摩尔-库伦模型。根据研究需要，计算模型采用位移-应力边界条件[7]。由于项目区没有应力实测资料，因此选取竖向应力作为岩体的自重应力，其数值根据各类围岩容重的均值计算获取。对模型的底部施加全位移约束条件，模型的两侧为竖向位移约束条件，顶部为自由边界条件[8]。

模型材料的物理力学参数对计算结果存在显著影响，研究中选择摩尔-库伦模型所需要的材料参数，有关参数依据相关技术规范和前提地质勘测数据综合确定，具体见表1。

表1 模型材料物理力学参数

2.4 计算方案

为了获取最佳上覆岩层厚度，研究中结合类似工程经验和相关研究成果，从10～20m，间隔1m设置11种计算工况，对不同上覆围岩厚度下的围岩的位移、应力和安全系数进行计算，根据计算结果，确定最佳上覆岩体厚度。

3 计算结果与分析

3.1 位移

利用构建的有限元模型，对不同上覆岩厚度下的隧洞围岩的位移进行模拟计算，在计算结果中提取拱顶沉降、拱肩收敛、拱腰收敛以及拱底隆起变形量，见表2。由表中的计算结果可以看出，覆岩厚度会对隧洞各关键部位的位移量造成比较显著的影响，是位移变形的主要影响因素之一。以表2中的数据为基础，绘制出隧洞各关键部位的位移量随覆岩厚度的变化曲线，结果如图2所示。由图可以看出，随着覆岩厚度的增加各关键部位的位移量均呈现出迅速减小后逐步趋于平稳的变化趋势。具体来看，当覆岩厚度小于15m时，位移量的减小比较迅速且幅度较大，当覆岩厚度大于15m时，位移量的减小幅度较为有限。

表2 不同覆岩厚度位移量计算结果

图2 位移量随覆岩厚度变化曲线

3.2 应力

利用构建的有限元模型，对不同上覆岩厚度下的隧洞围岩的应力分布情况进行模拟计算，在计算结果中提取最大主应力、最小主应和最大剪应力值，见表3，并绘制出应力值随覆岩厚度的变化曲线，结果如图3所示。由表3和图3可以看出，隧洞上覆岩体的厚度对围岩应力值存在比较明显的影响；随着上覆围岩的厚度的增加，围岩的应力值呈现出先迅速减小并逐渐趋于平稳的变化特点。具体来看，当研究洞段的上覆岩体厚度小于15m时，随着上覆岩体厚度的增加，最大主应力、最小主应力和最大剪应力值迅速减小；当研究洞段的上覆岩体厚度大于15m时，随着上覆岩体厚度的增加，最大主应力、最小主应力和最大剪应力值减小幅度较为有限并逐渐趋于平稳。

表3 不同覆岩厚度围岩应力计算结果

图3 围岩应力值随覆岩厚度变化曲线

3.3 安全系数

围岩安全稳定系数是地下洞室工程开挖施工方案评价，保证施工安全进行的重要指标。研究中利用研究洞段的围岩位移和应力计算结果，对不同上覆岩体厚度条件下的安全系数进行计算，根据计算结果绘制出如图4所示的研究洞段围岩安全系数随上覆岩体厚度的变化曲线。由图可以看出，围岩安全系数随着上覆岩体厚度的增大而增大，说明增大上覆围岩厚度可以有效提高隧洞开挖后围岩的安全稳定系数。从具体的变化规律来看，随着上覆岩体厚度的增加，隧洞围岩安全系数呈现出先迅速增大后逐渐趋于平缓的变化特点。因此，大幅增加上覆岩体厚度并不能明显提升围岩安全稳定性。从具体数值来看，当上覆岩体厚度为14m时，围岩安全系数为1.56，略大于1.50的工程设计值，考虑到施工中围岩稳定性的影响因素较多，需要有一定的冗余，建议将上覆岩体的厚度设计为15m，此时围岩的安全系数为1.71。