某水電站地下洞室交叉口應力型坍塌破壞分析

董聯杰，李小根，李 震，陳 然

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

1 工程概況

某水電站右岸尾調通氣洞轉彎段(樁號K0 +0—K0 +10)在施工掘進階段頂拱和邊墻出現較大規模的坍塌，坍塌段長約10 m，塌落最大深度約2 m．該坍塌洞段埋深約500 m，巖性主要為角礫熔巖、隱晶質玄武巖，巖體微新無卸荷，呈次塊狀、塊狀結構，洞段上方8 ～10 m 處發育層間錯動帶C4． 坍塌范圍內右邊墻發育兩條陡傾角裂隙，間距約0．5 m，產狀N55°W，NE∠80°，寬1 cm 左右，夾方解石脈，起伏，粗糙，面扭曲，面見擦痕．

為進一步深入分析交叉口洞室的坍塌原因和影響因素，筆者擬利用FLAC3D 與3DEC 數值分析軟件對洞室開挖后洞段南側頂拱和邊墻的坍塌破壞過程進行數值模擬，并對其坍塌破壞的原因做出解釋，以便能及時、準確地提供合理的處理措施，也為其他工程類似問題的處理提供參考［1－4］．

2 FLAC3D 數值模擬

2．1 模型的建立

FLAC3D 能夠準確地模擬地應力場的變化．FLAC3D 軟件與其他有限元相比最大的優勢主要在于它能夠更方便、準確地解決大變形的問題［5－7］．

計算模型采用四面體網格，模型單元數量達102．5 萬個;模型建立過程中，對主要的分析部位采用逐步細化網格來提高精度(如交叉洞室部位及附近區域)，使模型的計算精度滿足工程實際要求．應用FLAC3D 建立的數值模型如圖1 與圖2 所示．

圖1 地下洞室數值模型

圖2 交叉口數值模型

2．2 本構與參數

數值計算中巖體采用應變軟化型摩爾－庫侖本構模型［8］，同時建立了圍巖峰后強度與巖體塑性應變量的關系． 其中層間錯動帶C4力學參數的取值為:法向剛度Kn= 0． 4 GN/m、切向剛度Ks=0．2 GN/m、黏聚力c=0．05 MPa，摩擦角φ=14．4°．玄武巖巖體力學參數見表1．

表1 玄武巖巖體力學參數取值

2．3 初始應力條件的確定

對于該水電站右岸地下洞室群水平埋深大于500 m 而言，巖體地應力狀態基本不受深切河谷地形地貌的影響，構造運動后的應力殘余占據重要地位．計算中最大主應力方向取NS，水平狀;中間主應力為EW 向，也呈水平狀;最小主應力鉛直．根據該地區地質條件反演得出此洞室地應力特征分布的計算公式，應力大小與地下洞室的埋深滿足如下關系:

式中:σ1，σ2，σ3分別為最大、中間、最小主應力，MPa;h 為地下洞室的埋深，m．

應用初始應力場公式，即式(1)，以1 175 m 作為地表高程，可以估算出右岸尾調室巖體在650 m高程的特征應力比為26 MPa ∶22 MPa ∶15 MPa(1．73∶1．47∶1．00)．

2．4 模擬結果分析

圖3 為交叉洞室應力集中與現場破壞比較圖;圖4 為由FLAC3D 計算所得的考慮層間錯動帶C4影響下的圍巖最大主應力和位移分布特征內視圖．

圖3 交叉洞室應力集中與現場破壞比較圖

圖4 考慮層間錯動帶C4 的圍巖最大主應力和位移分布特征內視圖

由圖3 和圖4 可知:由于地應力分布特征的影響，在尾調通氣洞和4#公路排風平洞與最大主應力呈大角度相交段，以及洞室的南側頂拱和北側拱腳由于受最大主應力的擠壓而產生較為明顯的應力集中現象，尾調通氣洞南側頂拱的平均應力值為30 ～38 MPa;高應力集中區(σ1＞38 MPa)主要分布在交叉口洞段位置的南側頂拱和北側拱腳附近區域;由于受層間錯動帶C4和地應力分布特征的組合影響，現場坍塌位置附近的工作斷面(樁號K0 +0—K0 +10)頂拱附近區域應力集中現象顯著，其中南側頂拱的平均應力值高達40 MPa 左右，最大應力值為43．5 MPa;層間錯動帶C4的存在較為顯著地改變了交叉口附近的局部應力場和位移場，即與層間錯動帶C4斜切的頂拱附近區域出現了局部應力集中和較大的變形．

以樁號K0 +2 和樁號K0 +10 兩個工作斷面為例，進一步分析地應力和層間錯動帶C4組合因素影響下交叉洞段開挖的應力集中現象． 圖5 和圖6 分別顯示了FLAC3D 計算所得的交叉洞室開挖后典型工作斷面主應力分布及塑性區深度．

圖5 交叉洞室開挖后工作斷面(樁號K0 +2)主應力分布及塑性區深度

圖6 交叉洞室開挖后工作斷面(樁號K0 +10)主應力分布及塑性區深度

由圖5 和圖6 可知:樁號K0 +2 工作斷面應力集中區主要分布在南側頂拱和北側拱腳附近區域，而松弛區主要分布在兩側邊墻，其中頂拱的高應力區(σ1＞38 MPa)深度為0．2 ～1．0 m，邊墻的松弛區(σ3＜2 MPa)深度為0．3 ～0．7 m，頂拱和邊墻的塑性區深度分別為0．12 ～0．88 m 和0．28 ～0．78 m;樁號K0 +10 工作斷面應力集中區同樣分布在南側頂拱和北側拱腳附近區域，而松弛區主要分布在兩側邊墻，其中頂拱的高應力區(σ1＞38 MPa)深度為0．24 ～0．90 m，邊墻的松弛區(σ3＜2 MPa)深度為0．28 ～0． 64 m，頂拱和邊墻的塑性區深度分別為0．10 ～0．88 m 和0．20 ～0．75 m．計算結果說明樁號K0 +0—K0 +10 之間的工作斷面南側頂拱附近區域應力集中顯著，同時左右邊墻應力松弛也較為顯著［9－11］．

3 3DEC 數值模擬

3DEC 是一款基于離散單元法作為基本理論，描述離散介質力學行為的計算分析程序． 計算中巖體同樣采用應變軟化型摩爾－庫侖本構模型，結構面采用Coulomb-Slip 本構模型，該模型能夠有效地模擬結構面的變形和破壞，且能合理描述破壞后的力學行為．

應用3DEC 分析軟件建立的交叉洞室右岸尾調通氣洞轉彎段(樁號K0 +0—K0 +10)的模型如圖7所示．其中層間錯動帶C4力學參數:結構面厚度為3．0 cm，綜合模量為0．27 GPa，抗剪強度內摩擦角為0．46，有效黏聚力為0．14 MPa．裂隙力學參數中，裂隙①(圖7)的抗剪斷強度內摩擦角為0．50、有效黏聚力為0．15 MPa;裂隙②(圖7)的抗剪斷強度內摩擦角為0．50、有效黏聚力為0．10 MPa．

圖7 交叉洞室右岸尾調通氣洞轉彎段3DEC 模型

圖8 為交叉洞室南側頂拱坍塌的3DEC 數值模擬結果以及現場坍塌情況．由圖可以看出，數值模擬結果與實際的坍塌情況吻合較好．

圖8 交叉洞室南側頂拱坍塌數值模擬結果

4 結 語

1)該洞段最大主應力方向與洞線夾角較大，角度稍陡，且該洞段頂拱距離層間錯動帶C4較近，位于錯動帶附近高應力異常區范圍內，再者該洞段屬于交叉口段，易引起二次應力集中． 因此，在洞段的交叉口位置存在地應力和層間錯動帶C4組合因素影響下的應力集中問題．

2)在樁號K0 +0—K0 +10 洞段之間，南側頂拱發生較大規模的坍塌，塌落最大深度約2 m，破壞坑呈圓弧形，屬于高應力和結構面組合的應力型坍塌破壞．

3)數值計算結果中顯示的高應力區分布位置與現場坍塌位置基本保持一致，建議對具備類似應力集中問題的交叉口及時加強支護，并注意強調錨桿墊板與鋼筋網的系統性，以防因破壞的時效性等因素引起的二次應力破壞．

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