软岩地层围岩蠕变对输水隧洞安全性的影响研究

2023-02-20李映萍

水利科技与经济 2023年2期

李映萍

(广东建科源胜工程检测有限公司，广东东莞 523710)

1 概述

软岩受到上覆地层重力及相关自然环境的影响，在较长历时时间范围内，常会发生大变形等变化，这对位于其地层中的工程设施极为不利，尤其类似隧洞等设计使用年限较长的实体地下工程。相关学者对此开展了大量研究。叶文明等[1]采用蠕变本构模型，对高地温条件下的隧洞衬砌变形特性进行了研究。结果表明，基于蠕变曲线对隧洞衬砌变形进行的预测是合理的，能够用来研究高地温条件下所造成的围岩软化效应带来的变形影响。王力等[2-3]对长期有水环境下，土体的长期蠕变特性进行了分析。结果表明，采用基于非饱和方法，能够有效预测蠕变模型在长期有水环境条件下的变形特征，且该方法获得的结果与现场监测数值吻合。郭兴文等[4-5]对某大坝修筑材料的长期蠕变特性进行了分析，以便选择合理的混合配比。结果表明，通过将Burgers 模型植入相应的ANSYS程序中，能够用来合理预测不同配比下的修筑材料变形特性。

上述对岩体蠕变特性的相关研究表明，岩体材料的蠕变已经对地下建筑工程安全性产生了影响，威胁了地下工程的稳定高效运营，相关学者对影响蠕变特征的研究主要涉及水文地质、高地温、大埋深条件等多个影响因素。

本文依托引水隧洞工程，采用Flac3D软件，对软岩长期蠕变给隧洞安全性带来的影响进行分析研究，主要分析不同的蠕变时间下围岩的变形量。

2 工程概况

实体软岩地层引水隧洞工程位于广东省西部地区，地层属于泥质软岩。隧洞建成后，为解决区域群众的饮水安全提供了保障。隧洞整体位于软岩地层中，隧洞采用钢筋混凝土衬砌结构，衬砌厚80cm。软岩及衬砌的相关物理力学性能见表1。隧洞设计成马蹄形断面形式，横断面图见图1，隧洞高10m、宽15m。

表1 材料物理力学参数

图1 隧洞横断面图

3 数值模拟

3.1 模型的建立

隧洞横断面图(图1)中的隧洞衬砌形式为马蹄形，采用FLAC3D自带建模软件构建模型较为复杂。因此，本文采用RHINO结合GRIDDLE插件，对上述隧洞模型进行构建。首先根据图1中的剖面轮廓，绘制相应的外部整体轮廓，随后绘制相应的马蹄形断面，然后采用拉伸命令对上述所绘隧洞模型进行三维尺度上的延伸；当模型整体构建以后，采用RHINO自带网格剖分工具对网格进行剖分，然后采用GRIDDLE对网格进行重新剖分，包括面网格剖分和最终的体网格剖分，构建完成的模型图见图2。通过对不同区域设置相应的材料参数，实现不同区域位置的材料表征。

图2 构建的边坡模型

3.2 隧洞围岩蠕变特征

为了分析该类地层中隧洞的强度是否能够满足隧洞的长期运营，分别进行了10、30、40及50年条件下的隧洞蠕变变形求解计算，通过FLAC3D自带的图形绘制窗口，选择相应计算结果中的Z向位移进行绘制。隧洞的整体10年变形位移云图见图3；隧洞30年的整体变形位移云图见图4；隧洞40年的Z方向整体变形位移云图见图5；隧洞50年的Z方向整体变形位移云图见图6。

3.2.1 蠕变计算10年

为了研究围岩Z方向的蠕变对隧洞的安全运营影响，绘制围岩Z方向的蠕变位移云图，见图3。

由图3可知，泥质围岩经过10年的蠕变变形，围岩最大位移量为7.55e-2cm，位于隧洞正下方。表现为底鼓变形趋势，最大位移量占隧洞底部全长的60%，宽约为8m，并以底部为椭圆长轴呈现出半椭圆型向外的逐渐减小变化趋势，初始变化速率较大，约为1.0e-2(量纲为1)，向外部的变化速率逐渐变小；位于隧洞上部的泥质围岩最大位移量为5.37e-2cm，表现为下沉的变形趋势，最大下沉位移量在隧洞顶部约占全长的65%，宽约为9m范围，并以隧洞顶部圆弧为内线，以圆形向外扩散逐渐减小，初始减小速率较大，约为0.52e-2(量纲为1)，向外部速率逐渐降低。

图3 围岩蠕变10年位移云图(单位：cm)

3.2.2 蠕变计算30年

经过30年的蠕变，泥质围岩Z方向的蠕变变形云图见图4。

图4 围岩蠕变30年位移云图(单位：cm)

由图4可知，泥质围岩经过30年的蠕变变形，围岩最大位移量为8.31e-2cm，位于隧洞正下方。表现为底鼓变形趋势，最大位移量占隧洞底部全长的40%，宽约为6m，并以底部为圆直径呈现出半圆型向外逐渐减小的变化趋势，初始变化速率较大，约为1.2e-2(量纲为1)，向外部的变化速率逐渐减小；位于隧洞上部的泥质围岩最大位移量为5.5e-2cm，表现为下沉的变形趋势，最大下沉位移量在隧洞顶部约占全长的75%，宽约为10m范围，并以隧洞顶部圆弧为内线，以椭圆形向外扩散下沉位移量逐渐减小，初始下沉位移量减小速率较大，约为0.36e-2(量纲为1)，向外部速率逐渐降低。

3.2.3 蠕变计算40年

见图5。

图5 围岩蠕变40年位移云图(单位：cm)

由图5可知，泥质围岩经过40年的蠕变变形，围岩最大位移量为8.64e-2cm，位于隧洞正下方。表现为底鼓变形趋势，最大位移量占隧洞底部全长的45%，宽约为6.5m，并以底部为圆弧参考，呈现出圆型向外扩散逐渐减小的变化特征，初始变化速率较大，约为1.4e-2(量纲为1)，向外部的变化速率逐渐减小；位于隧洞上部的泥质围岩最大位移量为5.49e-2cm，表现为下沉的变形趋势，最大下沉位移量在隧洞顶部约占全长的55%，宽约为7.8m范围，并以隧洞顶部圆弧为内线，以椭圆形向外扩散下沉位移量逐渐减小，初始下沉位移量减小速率较大，约为0.21e-2(量纲为1)，向外部的减小速率逐渐减小。

3.2.4 蠕变计算50年

见图6。

图6 围岩蠕变50年位移云图(单位：cm)

由图6可知，泥质围岩经过50年的蠕变变形，围岩最大位移量为1.01e-1cm，位于隧洞正下方。表现为底鼓变形趋势，最大位移量占隧洞底部全长的90%，宽约为13.5m，并以底部为圆弧弦参考，呈现出圆弧型向外扩散逐渐减小的变化特征，初始变化速率较大，约为1.32e-2(量纲为1)，向外部的变化速率逐渐减小；位于隧洞上部的泥质围岩最大位移量为6.75e-2cm，表现为下沉变形，最大下沉位移量在隧洞顶部占据了全长，宽约为15m范围，并以隧洞顶部圆弧为内线，以椭圆形向外扩散下沉位移量逐渐减小，初始下沉位移量减小速率较大，约为0.69e-2(量纲为1)，向外部的减小速率逐渐减小。