地表下引水工程对上覆土体的位移和受力影响研究

2022-11-30王帅

陕西水利 2022年12期

王帅

（深圳市广汇源环境水务有限公司,广东深圳 518100）

1 前言

引水工程的修建势必影响周边区域的土体变形和问题,尤其针对下埋引水隧道工程,当隧道存在于浅层土体中的情况下,上部荷载将引发地表土体较大的侧向位移变形。学者们针对引水工程上部土体的变形和受力特征问题,做了大量研究。朱学贤等[1-2]针对深埋引水工程,隧洞的长距离通风进行了研究。研究结果表明：通过分析计算分段各风机的供风量,确定的通风方案满足了隧洞内的通风标准。李建林等[3]研究了小断面引水隧道工程的开挖施工方法。研究结果表明：掏槽技术的提出,以及其与光面爆破相结合的方案设计,有效解决了小断面硬岩中隧道施工难度大的技术难题,同时有效保证了施工效率。顾锡羚等[4]研究了引水工程对沙漠绿化的作用。研究结果表明：引水工程在沙漠绿化中贡献极大,在类似沙漠地区可参考修建。张社荣等[5]研究了运行阶段引水工程的监测数据获取困难的问题。研究结果表明：基于分类树方法提出的相应数据处理和分析体系,有效提高了数据处理和分析的效率。

通过以上的简要分析,可以看出,学者们对引水工程在施工、管理、运营和远期效应方面均开展了研究,而关于引水工程的施工所带来的对上覆土体的受力和位移的影响,尚未有学者开展相应研究,本文依据一处于沉积土和黏土地层中的引水工程,通过FLAC3D 数值模拟软件对该隧道的修建所造成的地表变形和受力变化进行模拟,以研究引水工程隧道在局部区域变形中带来的问题。

2 工程概况

该引水工程采用圆形隧道截面,采用预制混泥土管片拼装施工属于市政管线,作为城市配水系统的组成部分,在供水水源上的水量分配方面,有重要作用。隧道顶位于地表下3 m,隧道设计半径3.5 m,如图1 所示为隧道的三维视图。由于特征,图中基于对圆形隧道对称性的认识,展示时仅用二分之一隧道剖面,在图中给出了相应的尺寸和土层名称,隧道上部土体为粘土,隧道埋深范围内的隧顶至隧底深度范围内,土体为粉细砂地层,在位于隧道下部位置处设置0.3 m 厚砂卵石垫层,各土层材料的相关物理力学参数见表1。预制管片为采用标号C45 混凝土在管片场预制而成,管片的物理力学参数,列于表1 最后一行。

表1 岩土体物理力学参数

图1 引水工程隧道三维示意图

3 数值模拟

3.1 模型的建立

根据图1,按照引水隧道三维实际尺寸在FLAC3D 软件,构建与实际模型一致的三维模型,以便数值计算结果能够反映真实情况,由于FLAC3D 有内置的模型构建板块,因此采用其自身内置的模型构建模块进行该隧道模型的构建,首先构建整体模块,这主要通过BLOCK 命令完成,整体大小为50 m×30 m×20 m,这主要为了有效避免边界效应的影响,在根据不同土层埋深,采用表1 中的参数,对各层土体材料参数进行赋值,这一过程通过‘PROPERTY’命令实现。构建的三维模型,用于数值计算分析,见图2。

图2 三维计算模型

3.2 X 方向位移

隧道施工完成,运营中,隧道上部土体受荷载作用后,将发生位移变形,为了分析其在X 方向的变形特征,通过导出图形的方式,将X 方向的变形位移云图导出,如图3 所示为隧道上部土体的X 方向位移云图。而为深刻理解荷载正下方位置处,隧道上部土体的变形特征,导出了上部土体切片位移云图,切片位置位于加载力的正中间的位置。

图3 土体XX 方向整体位移云图（单位：cm）

图3 所示为土体XX 方向整体位移云图,反映的是隧道上方土体的位移变化特征,根据图例所表示的位移大小和云图颜色,对位移变化进行规律探究,由图3 得出,最大荷载端部位置的X 方向位移最大,最大值为8.9×10-2cm,而荷载加载位置正下方土体的X 方向位移为5×10-3cm；X 方向的较大位移集中分布于荷载端部位置,在荷载端部位置的X 方向位移变化速率约为1.5（量纲为1）,随着靠近荷载加载位置,X方向位移变化速率逐渐增大,最大值约为15（量纲为1）。在集中荷载位置正下方土体XX 方向位置几乎为0。

土体XX 方向切片位移云图反映的是隧道上方荷载正中位置的土体位移变化特征,得出最大荷载端部位置的X 方向位移最大,最大值约为9×10-2cm,而荷载加载位置正下方土体的X 方向位移为6×10-3cm；X 方向的较大位移集中分布于荷载端部位置,在荷载端部位置的X 方向位移变化速率约为1.7（量纲为1）,随着靠近荷载加载位置,X 方向位移变化速率逐渐增大,最大值约为13（量纲为1）。在集中荷载位置正下方土体XX 方向位移为5×10-3cm,几乎为零值。

通过上述对土体XX 方向整体位移云图的解析,可得,X方向最大位移位于荷载端部位置,而变化梯度较小,约为1.5；同样的,通过对土体XX 方向的切片位移云图分析可知,最大荷载端部位置的X 方向位移最大,变化梯度较小,约为1.7。

3.3 XX 方向应力

为了分析荷载作用下,上部土体的横向方向的应力分布特点,以确定合理的加固措施,根据计算结果,导出了XX 方向的上部土体应力变化特征云图。同时,为了分析荷载作用中心位置处的应力变化特征,导出了XX 方向切片应力变化云图。

上覆土体的横向XX 方向的整体应力变化云图得出,最大荷载下部位置的X 方向应力最大,最大值约为3×102Pa,位于下方土体埋深约1m 处,荷载加载位置两侧土体的X 方向应力为1.3×102Pa；X 方向的较大应力集中分布于荷载正下方位置,在荷载两侧位置的X 方向应力变化速率约为0.25（量纲为1）,在荷载加载位置正下方,X 方向应力变化速率较大,约为0.85（量纲为1）。

根据上覆土体的横向XX 方向的切片应力变化云图,得出最大荷载下部位置的X 方向应力最大,最大值约为2.8×102Pa,且呈现出由表层向下部逐渐增大的趋势,X 方向应力最大区域分布于隧道管片正上方,荷载加载位置两侧土体的X 方向应力为7.5×101Pa；X 方向的较大应力集中分布于荷载正下方位置,在荷载两侧位置的X 方向应力变化速率约为1.1（量纲为1）,在荷载加载位置正下方,X 方向应力变化速率较小,约为0.65（量纲为1）。