集水廊道頂部充水溶洞對(duì)圍巖位移的影響——以石林水庫(kù)為例

李亞云，陳 婷，莫世遠(yuǎn)，張營(yíng)營(yíng)，徐 楓

（三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌443002）

巖溶是隧道、水工隧洞以及礦山等地下工程建設(shè)中最為常見(jiàn)的不良地質(zhì)之一［1－2］。隨著我國(guó)西南地區(qū)水電建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)越多的地下水庫(kù)、水工隧洞都會(huì)受到不同程度巖溶危害的影響［3］。巖溶區(qū)地質(zhì)環(huán)境惡劣，在修建地下水電工程中，巖溶的存在不僅給施工帶來(lái)極大困難，也會(huì)給人民生命財(cái)產(chǎn)造成威脅。現(xiàn)在大多數(shù)研究來(lái)自于巖溶洞隙對(duì)鐵路隧道和公路隧道等圍巖穩(wěn)定性的影響［4－5］，而對(duì)水工建設(shè)中充水溶洞的研究較少。本文依托石林水庫(kù)工程研究了不同大小和不同距離的頂部充水溶洞對(duì)集水廊道圍巖位移的影響，為集水廊道安全施工提供了一定的理論依據(jù)。

1 工程算例

1．1 工程概況

云南省石林地下水庫(kù)位于喀斯特地區(qū)，巖溶發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜，地下暗河發(fā)育。水庫(kù)主體工程由大壩工程、集水廊道及地下暗河疏通隧洞工程、庫(kù)間連通隧洞工程、溢洪道工程、輸水涵洞工程共五部份組成。水庫(kù)總庫(kù)容為675．09萬(wàn)m3，地下274．8萬(wàn)m3。集水廊道是石林地下水庫(kù)工程中比較重要的單項(xiàng)工程，根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，在地下暗河附近300m范圍內(nèi)都可能存在地下暗河支流分布。集水廊道與壩軸線平行，廊道橫斷面為城門(mén)洞型，凈寬3．4m，預(yù)計(jì)高程1811～1827．5m。廊道洞室圍巖洞頂及邊墻巖石為軟－中硬巖，圍巖類(lèi)別為Ⅲ～Ⅳ類(lèi)，局部穩(wěn)定性較差。特別是該段可能存在巖溶洞穴，庫(kù)區(qū)內(nèi)調(diào)查的溶洞，洞高4．1～9．7m，可見(jiàn)長(zhǎng)度28～581m。集水廊道設(shè)置高程較低，基本均在地下水位以下，施工中如不考慮巖溶洞穴對(duì)廊道開(kāi)挖的影響，極有可能發(fā)生地下暗河突然涌水，危及施工安全。

1．2 有限元模型建立

本文選取云南的石林地下水庫(kù)集水廊道為研究對(duì)象，采用有限元軟件abaqus進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析不同大小和不同距離的頂部充水溶洞對(duì)集水廊道圍巖位移的影響。研究中取凈寬為3．4m的廊道斷面進(jìn)行研究，斷面為城門(mén)洞型。劉之葵等在對(duì)巖溶的空間形態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)提出，當(dāng)溶洞洞徑比較小時(shí)，溶洞的斷面大多是圓形或近似圓形［6］。石林水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)調(diào)查的溶洞，洞高4．1～9．7m，可見(jiàn)長(zhǎng)度28～581m，大多屬于中小型溶洞，故假設(shè)溶洞斷面為圓形來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬。

建立有限元模型時(shí)，為盡量減小邊界效應(yīng)，從廊道洞室側(cè)壁向兩側(cè)各取約4倍洞徑，模型橫向尺寸沿X軸共計(jì)30m，豎直方向沿Y軸邊界也取約4倍的洞徑，模型豎向共計(jì)約40m高，模型縱向沿Z軸長(zhǎng)度為30m。忽略實(shí)際工程中溶洞四周的巖溶發(fā)育，襯砌選取線彈性模型，襯砌混凝土為C25。圍巖的力學(xué)模型采用連續(xù)介質(zhì)模型。模型左右平面邊界上施加X(jué)方向水平約束，前后兩個(gè)平面邊界施加Z方向軸向約束，底部邊界上施加Y方向的豎向位移約束，上部邊界面施加荷載。初始地應(yīng)力計(jì)算只考慮由于巖體自重和溶洞內(nèi)水壓力產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)，忽略巖體中的裂隙水壓力和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。取Z＝15m為所要研究的監(jiān)測(cè)斷面，該斷面為溶洞縱向中間斷面，為危險(xiǎn)斷面，最具有代表性。圖1為計(jì)算模型的特征點(diǎn)設(shè)置和模型網(wǎng)格劃分圖。

1．3 計(jì)算參數(shù)

本次模型研究在分析不同大小和不同距離的頂部充水溶洞對(duì)集水廊道圍巖位移的影響時(shí)，廊道圍巖選用Ⅳ級(jí)圍巖來(lái)進(jìn)行計(jì)算。具體模型參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 計(jì)算模型的特征點(diǎn)設(shè)置及模型網(wǎng)格劃分圖

表1 材料力學(xué)參數(shù)

1．4 計(jì)算工況

（1）工況一：保持溶洞底到廊道頂?shù)呢Q直距離L不變，L＝3．4m，溶洞直徑D逐漸變化，由無(wú)溶洞到溶洞直徑D分別為2m，4m，6m，8m，10m。

（2）工況二：保持溶洞直徑D不變，D＝3．4m，與廊道斷面大小相等，改變?nèi)芏吹椎嚼鹊理數(shù)呢Q直距離L，分別取1m，2m，3m，4m，5m，6m，7m和8m。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2．1 不同大小溶洞對(duì)廊道圍巖位移的影響

保持溶洞到廊道間的距離不變，改變?nèi)芏粗睆酱笮。煌笮∪芏聪录鹊栏魈卣鼽c(diǎn)的豎向位移和水平位移變化情況如圖2所示。

圖2 不同直徑溶洞下廊道各特征點(diǎn)的豎向位移和水平位移

由廊道各特征點(diǎn)豎向位移曲線圖2可見(jiàn)，保持溶洞底到廊道頂?shù)木嚯x不變，對(duì)比無(wú)溶洞的情況，隨著溶洞直徑的增加，廊道各特征點(diǎn)的豎向位移均有所減小。當(dāng)廊道周?chē)淮嬖谌芏磿r(shí)，廊道拱頂位移下沉值為－10．13mm，溶洞較小時(shí)，取溶洞直徑為2m時(shí)，廊道拱頂下沉位移為－9．84mm，溶洞引起的拱頂沉降值相比無(wú)溶洞時(shí)減小約3%；溶洞較大時(shí)，取溶洞直徑為10m時(shí)，廊道拱頂下沉位移為－8．43mm，相比無(wú)溶洞時(shí)減小約17%。廊道的拱腰、側(cè)壁、墻角和拱底沉降位移變化規(guī)律一致，只是在數(shù)值上稍有不同。從數(shù)值上看，拱頂豎向位移減小最為明顯，其次是拱底向上隆起的位移，然后是拱腰和墻角的位移值，影響最小的是側(cè)壁位移值。由廊道各特征點(diǎn)的水平位移曲線圖可以看出，廊道拱頂和拱底的水平位移基本為0，而拱腰和墻角的水平位移對(duì)比無(wú)溶洞時(shí)的水平位移值有所增加，且隨著溶洞直徑的增大而逐漸增大，側(cè)壁水平位移值對(duì)比無(wú)溶洞時(shí)有所減小，且隨著溶洞直徑的增大而逐漸減小。

2．2 不同間距溶洞對(duì)廊道圍巖位移的影響

保持溶洞直徑不變，改變?nèi)芏吹椎嚼鹊理斨g的距離，不同間距溶洞對(duì)集水廊道各特征點(diǎn)的豎向位移和水平位移變化情況如圖3所示。

圖3 不同間距溶洞下廊道各特征點(diǎn)的豎向位移和水平位移

由廊道各特征點(diǎn)位移曲線圖3可見(jiàn)，保持溶洞直徑不變，當(dāng)廊道頂部存在溶洞時(shí)，隨著溶洞底到廊道頂距離的逐漸增大，豎向位移中拱底和墻角位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，拱頂、拱腰和側(cè)壁的下沉值先減小后增大，且變化幅度較小。對(duì)比無(wú)溶洞情況，廊道各特征點(diǎn)豎向位移在數(shù)值上均有一定程度的減小。其中，當(dāng)溶洞底到廊道頂距離為1m時(shí)，廊道墻角豎向位移相比無(wú)溶洞時(shí)減小幅度最大，減小值約為30%。其次是拱頂和拱底豎向位移值，相比無(wú)溶洞時(shí)減小值約為17%，影響最小的為拱腰和側(cè)壁豎向位移值。當(dāng)溶洞底到廊道頂?shù)木嚯x為8m時(shí)，廊道各特征點(diǎn)的豎向位移值相比無(wú)溶洞時(shí)的位移值減小幅度最小，可見(jiàn)溶洞在遠(yuǎn)離廊道頂部的同時(shí)，對(duì)廊道的影響也在逐漸減弱。水平位移中，拱頂和拱底的位移基本為0，墻角水平位移值變化不大。隨著溶洞底到廊道頂?shù)木嚯x逐漸增大，拱腰和側(cè)壁的水平位移值先增大后減小，在溶洞底與廊道頂間距為4m時(shí)達(dá)到最大，相比無(wú)溶洞情況增加值約為50%，在溶洞底到廊道頂?shù)木嚯x為7m時(shí)趨于平穩(wěn)，相比無(wú)溶洞變化值最小，對(duì)廊道圍巖位移影響最小。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)以上兩種工況的結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）廊道頂部充水溶洞在一定程度上抑制了廊道各特征點(diǎn)的位移。保持溶洞底與廊道頂之間距離不變，相比無(wú)溶洞情況，隨著溶洞直徑逐漸增加，廊道各特征點(diǎn)的豎向位移呈減小趨勢(shì)，與溶洞直徑成反比，廊道拱頂和拱底豎向位移值變化較大。與豎向位移變化規(guī)律不同的是，廊道拱頂和拱底的水平位移基本為0，而拱腰和墻角的水平位移對(duì)比無(wú)溶洞時(shí)的水平位移值有所增加，且隨著溶洞直徑的增大而逐漸增大，拱腰、墻角和側(cè)壁的位移變化以豎向位移為主，水平位移小于豎向位移。

（2）保持溶洞直徑不變，隨著溶洞與廊道間距的增大，豎向位移中拱頂、拱腰和側(cè)壁的下沉值先減小后增大，變化幅度較小，且在溶洞底到廊道頂?shù)木嚯x為8m時(shí)，即溶洞遠(yuǎn)離廊道頂部的時(shí)候，相比無(wú)溶洞時(shí)豎向位移減小值最小，對(duì)廊道的影響也最小，可知側(cè)壁以上廊道豎向位移減小值與溶洞底和廊道頂之間的距離呈反比。墻角和拱底的豎向位移值一直呈增大趨勢(shì)，位移變化最大值位于墻角處，與溶洞到廊道間的距離呈正比。水平位移中，拱頂和拱底的位移基本為0，墻角水平位移值變化不大。相比無(wú)溶洞情況，拱腰和側(cè)壁水平位移值先增大后減小，在溶洞底到廊道頂?shù)木嚯x為4m時(shí)變化值最大，在溶洞底到廊道頂?shù)木嚯x為7m時(shí)趨于平穩(wěn)，對(duì)廊道圍巖位移影響最小。

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