巖體滲透性變化對輸水隧洞受力變形的影響

肖逸飛

(新疆額爾齊斯河投資開發(集團)有限公司,烏魯木齊 830000)

1 概 述

在特殊地質條件及地形復雜地區修建輸水隧洞,常常伴隨高外水壓力、高地應力等問題,嚴重影響輸水隧洞的施工安全。針對深埋輸水隧洞施工問題,許多學者通過理論法、試驗法、監測法、數值法等不同手段開展了一系列研究。趙大洲等[1]以南水北調西線工程深埋長隧洞為研究對象,利用MIDAS有限元軟件,建立含襯砌的輸水隧洞模型,分析隧洞施工過程中襯砌管片的受力特征,評估了深埋隧洞施工過程的安全性。基于流-固耦合理論,紀佑軍等[2]利用數值模擬手段模擬隧道開挖過程,對比考慮滲流和不考慮滲流下隧洞受力變形。賈善坡等[3]以深埋黏土巖隧道過程為例,基于滲流-應力耦合理論,分析了盾構隧道施工過程中襯砌管片受力變形的動態行為,進一步獲得了圍巖滲透壓力分布特征。陳衛忠等[4]基于滲流耦合理論模型,通過ABAQUS二次開發,將滲流耦合模型考慮其中,計算分析了壓力隧洞施工過程中圍巖變形規律。王克忠等[5]以沭水東調引水隧洞為研究對象,通過數值模擬軟件,對比滲流作用對隧道施工過程的影響,分析了圍巖滲流場演變規律。周亞峰等[6]模擬計算了深埋TBM隧洞施工過程,研究了隧洞滲流動態演化規律。

本文以新疆某輸水隧洞為研究對象,利用有限元軟件,建立考慮滲透系數變化和不考慮滲透系數變化兩種工況,分析隧洞排水和充水后不同工況下輸水隧洞位移、孔隙水壓力、塑性區的變化規律。

2 工程概況

新疆某輸水隧洞包括支洞和主洞,支洞進口地面高程約799.451m,與主洞交點高程605.882m,長度1 543.215m;縱斷面設計為:200m長12.9%的陡坡+20m長3%的緩坡,綜合縱坡11.70%;支洞斷面型式為城門洞型,斷面尺寸6.7m×6.8m。主洞全長8.347km,隧洞縱坡1/2 583,起點底板頂高程607.565m,末點底板頂高程604.333m。地形地貌屬于ALT山南坡WLGH河谷區和WLGH南岸剝蝕丘陵區,地勢總體南高北低,海拔高程790～816m,河谷區地形平緩開闊,為河漫灘及河流階地;南岸剝蝕丘陵區地形起伏較小,山頂多呈渾圓狀,山體坡度較緩,一般高差10～30m,基巖大多裸露,主要為荒漠地貌。

3 有限元模型

根據輸水隧洞的設計方案,建立寬度460m、高度640m的有限元模型,隧洞建在模型中間位置,見圖1。

圖1 有限元模型

所建模型位于地下水下方,因此模型中圍巖為飽和狀態。模型中,用四邊形實體單元劃分隧洞襯砌結構和圍巖,模型頂部設置44.8MPa的自重應力,模型兩側和底部設為固定邊界。此外,模型頂部和底部分別施加300和760m水頭,水壓在模型兩側呈梯形。參考現場地應力監測結果,輸水隧洞的初始應力主要為自重應力,側壓力系數為0.88。根據地勘報告,襯砌和圍巖物理力學參數見表1。

表1 襯砌和圍巖物理力學參數

為研究圍巖滲透系數演化對輸水隧洞整體影響規律,建立考慮滲透系數變化和不考慮滲透系數變化兩種工況:工況一設定滲透系數為恒定值;工況二設定滲透系數為基于體積應變的變化。

4 數值結果與監測結果對比

4.1 滲透系數變化規律

輸水隧洞掘進后,對于工況二(考慮圍巖滲透系數變化),滲透系數沿隧洞拱底和拱頂到圍巖內部深處的變化曲線見圖2。從圖2可以看出,圍巖滲透系數在輸水隧洞掘進邊界變化顯著,在隧洞邊界處拱底和拱頂滲透系數分別為1.0×10-3和3.3×10-3cm/s,沿著圍巖深處先迅速降低隨后緩慢降低直至趨于穩定。滲透系數相對于圍巖初始滲透系數增大3個數量級,這個規律與實際工況相吻合,即圍巖因地應力釋放產生松動并衍生較多裂縫,從而導致圍巖滲透性增大。

圖2 滲透系數變化曲線

4.2 圍巖位移變化

為保證深埋輸水隧洞掘進過程的安全性,當隧道掘進后,通過鉆孔在TI隧洞掌子面后方的拱頂和右拱腰位置布設深15m的位移計,監測隧道繼續掘進掌子面后方變形。隧洞拱頂和右拱腰圍巖變形監測值與數值模擬兩種工況對比圖見圖3。

圖3 圍巖變形監測值與數值模擬兩種工況對比圖

從圖3可以看出,在15m深度處,圍巖位移監測值略小于數值模擬兩種工況結果,其余位置的圍巖位移監測值大于工況一結果,但小于工況二結果。在輸水隧洞邊界處(即距離為0m),圍巖拱頂位移監測值比工況二結果小2.6cm,比工況一結果大2.7cm;圍巖右拱腰位移監測值比工況二結果小4.1cm,比工況一結果大2.4m。由此可見,不考慮滲透系數變化的工況一數值結果偏小,且位移計只能監測隧洞開挖后的部分位移。因此,考慮到可靠性和安全性,考慮滲透系數變化的工況二更符合實際工況,結果更為合理、準確。

5 滲透性演化對隧洞穩定性影響分析

基于上一節驗證的考慮滲透系數變化模型的合理性,本節分析運營期輸水隧洞在排水和充水后,圍巖滲透系數變化對圍巖變形、孔隙水壓力以及塑性應變的影響。仍然考慮滲透系數變化和不考慮滲透系數變化兩種工況,模擬過程共5個步驟:

步驟1:設定初始地應力平衡,模型頂部和底部分別施加300和760m水頭。

步驟2:隧道開始掘進,施工時長100h,隧道水壓力迅速減小至0。

步驟3:激活隧洞襯砌,施工時長48h。

步驟4:設置輸水隧洞內水壓力水頭100m,充水時長120h。

步驟5:設置輸水隧洞進行4h的排水。

運營期輸水隧洞在排水和充水后,其外水壓力會發生變化,尤其當隧洞排水后,圍巖外水壓力會逐漸減小。圖4(a)為充水后隧道拱頂孔隙水壓力沿圍巖深處方向的變化曲線。由圖4(a)可知,兩種工況拱頂孔隙水壓力的變化規律略有差異。其中,工況一的圍巖孔隙水壓力沿圍巖深處方向逐漸增大;而工況二的圍巖孔隙水壓力沿圍巖深處方向先緩慢減小直至距隧洞3m處,隨后緩慢增大。圖4(b)為排水后隧道拱頂孔隙水壓力沿圍巖深處方向的變化曲線。由圖4(b)可知,兩種工況拱頂孔隙水壓力的變化規律與隧洞充水情況相似。其中,工況一的圍巖孔隙水壓力持續增大;工況二的圍巖孔隙水壓力在隧洞3m范圍內變化較小,隨后持續增大。對比兩圖可以看出,工況一的孔隙水壓力略大于工況二的孔隙水壓力。

圖4 孔隙水壓力沿圍巖深處方向的變化曲線

運營期輸水隧洞在排水和充水后,其圍巖位移也會發生變化。圖5為隧道拱底和拱頂處圍巖位移不同計算步驟下變化曲線。從圖5可以看出,隧洞充水后,其拱頂位移略有減小;隧洞排水后,由于壓力釋放,拱頂位移略有增大;隧洞充水和排水后,拱底位移均略有增大,位移變化規律大致相同。對比兩種工況的隧洞位移可知,工況二下隧洞拱底和拱頂位移均遠大于工況一下圍巖位移,即工況二下拱頂位移接近工況一下拱頂位移的兩倍,工況二下拱底位移接近工況一下拱底位移的3倍。這是因為考慮隧洞周邊圍巖滲透系數迅速增大,從而引起隧洞附近圍巖增大。數值計算結果與監測結果對比可知,隧道拱底和拱頂位移監測值介于數值計算兩種工況之間,并且隧道拱底和拱頂位移監測結果的變化規律與數值計算兩種工況基本相同,表明所建輸水隧洞模型的正確性。

圖5 圍巖位移不同計算步驟下變化曲線

運營期輸水隧洞在排水和充水后,其圍巖塑性變形也會發生變化。隧道排水后右拱腰塑性應變變化曲線見圖6。從圖6可以看出,在隧洞洞壁位置,工況一和工況二塑性應變均到達峰值,分別為7.1×10-3和2.4×10-2。可見,因為考慮圍巖滲透系數的變化,工況二下隧洞周邊圍巖塑性屈服程度更大。進一步觀察圖6可知,在輸水隧洞右拱腰位置,工況一和工況二的塑性區范圍分別為4.0和7.5m。而根據位移計監測結果可知,右拱腰松弛深度范圍為6.0～7.0m。因此,從塑性區角度出發,考慮圍巖滲透系數的變化更接近實際工況。

圖6 隧道排水后右拱腰塑性應變變化曲線

圖7為隧洞拱底和拱頂處塑性應變在不同計算步驟下變化曲線。

圖7 隧洞拱底和拱頂處塑性應變在不同計算步驟下變化曲線

從圖7可以看出,隧洞在充水和排水后,圍巖塑性應變均隨計算步而緩慢增大。在隧洞拱頂位置,工況一塑性區在隧洞充水和排水后變化較小,工況二塑性區在隧洞排水后增大。在隧洞拱底位置,隧洞充水和排水后,兩種工況下隧洞塑性區范圍均有所增大。

6 結 論

以新疆某輸水隧洞為研究對象,利用有限元軟件,建立了考慮滲透系數變化和不考慮滲透系數變化兩種工況,分析了隧洞排水和充水后不同工況下輸水隧洞位移、孔隙水壓力、塑性區的變化規律。結論如下:

1)圍巖滲透系數在輸水隧洞掘進邊界變化顯著,在隧洞邊界處拱底和拱頂均達到峰值,沿著圍巖深處先迅速降低隨后緩慢降低直至趨于穩定。

2)工況一的圍巖孔隙水壓力沿圍巖深處方向逐漸增大,而工況二的圍巖孔隙水壓力沿圍巖深處方向先緩慢減小直至距隧洞3m處,隨后緩慢增大;考慮隧洞周邊圍巖滲透系數迅速增大,工況二下拱頂位移接近工況一下拱頂位移的兩倍,而工況二下拱底位移接近工況一下拱底位移的3倍。

3)隧洞在充水和排水后,圍巖塑性應變均隨計算步而緩慢增大。在隧洞拱頂位置,工況一塑性區在隧洞充水和排水后變化較小,工況二塑性區在隧洞排水后增大。在隧洞拱底位置,隧洞充水和排水后,兩種工況下隧洞塑性區范圍均有所增大。

4)通過數值結果與監測結果對比,考慮滲透系數變化的工況二更符合實際工況,結果更為合理、準確。