高类别水工隧洞围岩稳定性数值分析

2023-11-06冯杰

水科学与工程技术 2023年5期

冯杰

（湖北省水利水电规划勘测设计院有限公司，武汉 430000）

随着经济社会的持续发展，全国尤其是经济高速发展地区用电需求越来越大，在引水工程中，引水隧洞围岩的稳定性至关重要，关系到引水的效益和安全问题。因此，研究引水隧洞围岩的稳定性具有重要意义。

针对引水隧洞围岩稳定性问题，很多学者进行广泛研究。李唱唱等［1］以新疆某引水隧洞工程为依托，利用水压致裂法和三维水压致裂法对低应力进行现场监测和分析，并采用离散元软件进行模拟研究，分析深埋高地应力下引水隧洞围岩的稳定性问题。李海宁等［2］为研究不同产状下层状引水隧洞在施工中围岩稳定性特征，以青海省某引水工程为例，建立了不同岩层倾角下引水隧洞的三维有限元计算模型，分析围岩位移、塑性区及最大主应力的变化规律。郑亚津等［3］结合浅埋隧洞围岩稳定性理论，利用数值模拟软件，对隧洞开挖过程中围岩竖直位移和水平位移及围岩应力特征进行分析。何小龙等［4］利用有限元软件建立三维数值模型，分析外水压力作用下引水隧洞的受力变形。刘杰等［5］以丹巴引水隧洞石英云母片岩为对象, 研究岩体各向异性特性及开挖卸荷作用对围岩稳定性影响。李欣［6］、胡天明［7］、齐凯［8］、王克忠等［9］针对引水隧洞在开挖和支护过程中围岩的稳定性进行深入分析。王志鹏［10］、张明高等［11］则是对含节理岩体的隧洞围岩稳定性进行分析。

研究者们对于引水隧洞围岩稳定性的分析相对较多，但低于围岩力学性质较差的V 类围岩稳定性研究的相对较少，基于此，本文以某引水隧洞出水口V 类围岩为研究对象，根据实际工程中岩体的力学参数，采用数值模拟的方法对该出水口围岩的位移及第一主应力和第三主应力分布情况进行分析，结论可为相似工程案例提供借鉴。

1 工程概况

十堰市中心城区引水工程是十堰市中心城区水资源配置工程的一部分，位于潘口水库进口段～霍河隧洞出口段，桩号0+000～4+267，设计纵坡1∶3500，线路起点高程327.50 m，终点高程326.30 m。进口段至出口段隧洞线路平面总长4.267 km，设计流量6.7 m3/s。进水口位于距潘口水库大坝直线距离约7.5 km 的库区右岸岸坡，取水建筑物为竖井式进水口，底板高程327.5 m，试验段出水口底板高程326.3 m，坡降0.028%。进水口设拦污栅、检修闸门、工作闸门，工作闸门后为连接段，连接段后为无压输水洞。输水洞根据岩石类别不同，采用了不同的衬砌型式，隧洞成型断面尺寸3.0 m×3.5 m（宽×高，城门洞型断面）。

引水隧洞总长4.197 km。根据地质围岩分类，隧洞均为岩石洞,隧洞段均采用城门洞型断面。Ⅲ类围岩段隧洞前期支护采用喷锚钢筋网支护，后期采用全断面钢筋混凝土衬砌，隧洞衬砌为10 cm 挂网喷锚支护加30 cm 钢筋混凝土衬砌，衬砌混凝土强度等级为C25。 Ⅳ类围岩段隧洞前期支护采用局部小导管注浆加I-16a 钢拱架支护加喷锚钢筋网支护，后期采用全断面钢筋混凝土衬砌，隧洞衬砌为25 cm挂网喷锚支护加35 cm 钢筋混凝土衬砌。衬砌混凝土强度等级为C25。灌浆采用洞顶120°回填灌浆加固结灌浆。V 类围岩段隧洞前期支护采用管棚注浆加I-18a 钢拱架支护加喷锚钢筋网支护，后期采用全断面钢筋混凝土衬砌，隧洞衬砌为30 cm 挂网喷锚支护加60 cm 钢筋混凝土衬砌。衬砌混凝土强度等级为C25。灌浆采用洞顶120°回填灌浆加固结灌浆。断层带围岩段隧洞前期支护采用管棚注浆加I-18a 钢拱架支护加喷锚钢筋网支护，后期采用全断面钢筋混凝土衬砌，隧洞衬砌为30 cm 挂网喷锚支护加60 cm 钢筋混凝土衬砌，底板为1 m 厚现浇钢筋混凝土。衬砌混凝土强度等级为C25。灌浆采用洞顶120°回填灌浆加固结灌浆。

2 工程地质条件

引水隧洞所穿越地形地貌单元属构造侵蚀剥蚀中—低山区。山脉大致沿东西方向伸展。区内山峦重叠，地形复杂，河谷深切，峡谷纵横，悬崖峭壁处处可见。总的地势由西向东、由南向北逐渐降低，但南北差异较大，东西差异略小。受北西向断裂构造的控制，形成天然廊道式地形。工程区地形分水岭一般呈近东西向，两侧的山岭多为北北东或南南西的排列，继续向外伸展，属于中山区深切割的高中山带和中低山区的中切割带。山脊多呈尖棱齿状、长垣状，基岩裸露，山坡呈阶梯状，上部山脊段和下部河谷段坡度较陡，一般坡度40°以上，中间坡度略缓，多在25°～30°之间。

隧洞出水口围岩主要为V 类围岩，该段为隧洞浅埋段，隧洞穿越地层为奥陶系（O）石英绢云千枚岩、绢云石英千枚岩夹泥质绢云千枚岩, 围岩为软岩，岩体完整性差，呈强风化～弱风化状，岩层产状为倾向30°倾角45°，岩层走向与隧洞轴线夹角一般为65°。出口处边坡开挖使得坡体长时间暴露于大气中，加速岩体风化，坡面附近裂隙普遍张开，加上受降雨影响，岩体强度下降明显，手搓易碎，局部泥化，该段地下水以基岩裂隙水赋存，水量贫乏。该段围岩属极不稳定岩体。岩体破碎，结构面极为发育，充填泥质薄膜或夹层，岩体完整性极差，强度低，洞室围岩大多为软岩，岩体结构类型多为极薄层、次块状或碎块结构，围岩变形和破坏较为严重。

3 水文地质条件

工程区地表水主要由堵河、霍河等构成。堵河由西南向东北流经汉江，霍河由东南向西北流经堵河，堵河是区内地表水和地下水的排泄基准面。出口段冲沟主要有蚂蟥沟，常年都有流水，少数冲沟为干沟，这些冲沟构成工程区地表水排泄网络，各冲沟横断面均呈宽缓的“U”和“V”型，是区内地表水主要汇集排泄通道。沿线地表水主要由大气降水和冲沟来水补给，向河谷排泄。

工程区地下水主要包括第四系松散堆积孔隙潜水、基岩裂隙水，该区域夏季雨水充沛，具有大而急的特点，孔隙潜水主要受地表降水补给，区内基岩裂隙水主要赋存于基岩的风化裂隙和构造裂隙中，均匀性极差，依靠大气降水与地表水补给。

根据钻孔压水资料显示，出口调整段引水隧洞围岩的岩体透水率大多在1＜q＜5Lu 之间，围岩的透水性以弱透水性为主，局部裂隙发育，表现为中等透水性。根据地表与地下水水质分析成果来看，本区地表与地下水化学类型主要为重碳酸钙、镁型。根据GB50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》环境水腐蚀判定标准，水对混凝土结构、混凝土结构中钢筋具微腐蚀性、对钢结构具微腐蚀性。

4 围岩稳定性分析

为分析该出水口隧洞的围岩稳定性，根据现场的实测情况采用数值模拟的方法通过有限元软件ANSYS 从围岩应力分布及位移变化情况方面综合进行分析。

4.1 模型建立及参数选取

选取出水口围岩典型断面（如图1）作为建模依据，为保证模拟结果的准确性，模型的上边界取实际地形曲面，左右边界距离洞轴线大于5 倍洞径，下边界距离洞轴线大于3 倍的洞径。模型剖分中衬砌部分3～5 层单元格，洞周5 m 范围内进行网格细化处理，方便观察洞周位移应力变化。建立隧洞及开挖完成后的模型分别如图2 和图3。

图1 隧洞出水口断面地质剖面图

图2 隧洞出水口模型

图3 隧洞开挖完成后模型

隧洞模型的岩体力学参数及支护方式均与实际工程相同，详细参数及支护方式如表1 和表2。模型选用的是笛卡尔坐标系，整体直角坐标OXY。坐标原点选在模型的左下角，水平向右为X 轴正向；竖直向上方向为坐标轴Y 轴正向。

表1 隧洞围岩主要物理力学参数

表2 隧洞围岩岩性及支护

4.2 位移分析

隧洞围岩位移是评价围岩稳定性的重要指标之一，通过对建立模型开挖处理，分析开挖完成后围岩在X 方向和Y 方向的位移变化情况（如图4 和图5）。观察发现，开挖后隧洞围岩出现回弹现象，隧洞围岩均向洞内方向发生位移，岩体与隧洞距离越大出现的位移越小。在X 方向最大位移出现在隧洞左侧围岩处，位移值1.102 cm，隧洞右侧围岩发生的位移大小比左侧略小。在Y 方向，隧洞顶部围岩出现沉降，沉降量1.738 cm，隧洞底部出现隆起，隆起值1.56 cm，上部围岩的位移值略大于下部位移。

图4 开挖后围岩X 向位移云图

图5 开挖后围岩Y 向位移云图

为分析衬砌作用，同时模拟隧洞在支护完成后围岩的位移变化情况（如图6和图7）。加完支护后可发现，隧洞围岩在X 方向和Y 方向的位移均发生减小，在X方向最大位移由原来的1.102 cm减小为0.634 cm，Y 方向最大位移由原来的1.738cm减小到0.941 cm，减小幅度分别为42.47%和45.86%。支护效果较为明显。

图6 支护后围岩X 向位移云图

图7 支护后围岩Y 向位移云图

4.3 围岩应力分析

在隧洞开挖完成后，围岩第一主应力和第三主应力的分布情况直接关系到隧洞围岩的稳定性，因此，对该输水工程出水口隧洞围岩的第一主应力和第三主应力分布情况进行分析。隧洞围岩较大的第一主应力呈“梅花状”分布在隧洞四周（如图8），最大的第一主应力分布在洞底和洞侧壁夹角处，最大值162.137 kPa，因此在采取支护措施时，该位置需格外注意。