某引水隧洞洞口邊坡滑塌體成因機制三維離散元數值模擬研究

吳龍科,陳云生,張一銘

(廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

本文研究滑塌體位于引水隧洞及下支硐洞口段,施工過程中產生失穩,導致洞口被掩埋,嚴重影響施工進度。通過對滑塌區及其外圍地質條件的調查復核,查清邊坡區基本地質條件及變形邊坡的邊界條件,結合支洞開挖地質編錄資料,考慮洞內涌水情況,建立地質模型,通過定性分析并利用離散元模擬變形破壞過程,判斷變形破壞機制,分析滑塌體現狀穩定性及其對上部陡坡的影響[1-5],提出滑塌區邊坡的防護建議措施,確保施工期和運行期安全,提供科學可靠的基礎依據。本文使用3DEC軟件模擬邊坡破壞變形破壞過程,其優勢在于可模擬邊坡巖體內部破裂和破裂面發展[6-10],將模擬計算與定性分析結果相互驗證,取得了較好的效果。

1 滑塌體基本特征和成因

1.1 滑塌體的基本特征

滑塌體所處位置為構造剝蝕中高山地貌,平均坡度>60°。地層主要為覆蓋層及三疊系片麻巖(Trγm),因巖相特征的差異,基巖可分為黑云母石英長石片麻巖和石英長石片麻巖兩種,片麻理產狀為:NE39°NW∠39°。邊坡區區域性斷裂構造不發育,但小規模的斷層、隨機分布的節理、裂隙較發育。滑塌體平面形態呈不規則的梯形,高差為30 m,縱向長90 m,橫向長約51 m,按平均斷面法求得的滑塌體方量約為64 220 m3。滑塌邊坡表面為3～4 m松散的殘坡積物,向坡體內為不同風化程度的片麻巖。據鉆孔顯示:強風化巖體最大水平深度為52 m,最大垂直深度為20 m;中風化巖體水平厚度為20 m,垂直厚度為4.4～13.5 m;斜坡中風化巖體中片麻理和蝕變帶比較發育。

1.2 滑塌體的成因機制定性分析

邊坡巖體中分別發育了與洞口陡壁和洞軸線近平行的J1、J2組陡傾裂隙;引水隧洞開挖揭露的F76斷層上盤承壓水或上層滯水,使洞內涌水集中沿底板入滲。因此,引水隧洞洞口邊坡的變形滑塌成因機制定性分析如下:

(1)開挖導致的卸荷。滑塌體區域主要為軟巖,洞口及引水隧洞開挖后發生了朝邊坡外及洞內的卸荷回彈。

(2)施工過程中爆破震動。洞內施工過程中采用爆破施工,對邊坡產生了一定的擾動。

(3)水體入滲軟化坡體。在上述變形基礎上,因區內連續降雨,雨水沿坡體表部裂縫和陡傾拉裂面入滲、引水隧洞施工過程中地下水發育,地下水沿引水隧洞底板滲入,隨FJ3及其系列片麻理蝕變帶的軟化、抗剪參數降低,底部壓縮變形、并追蹤結構面向臨空方向滑移;隨變形的繼續,表部坡體首先向上游沖溝方向鼓脹拉裂、部分強風化巖體和殘坡積土產生拉裂變形、失穩滑動,同時牽引山脊頂部F1斷層控制的部分強風化巖體向洞口方向滑塌、推動洞口前緣強風化巖體和殘坡積土產生整體滑塌,最終導致邊坡失穩。

2 滑塌體成因機制數值模擬

2.1 離散元模型的建立

考慮到平洞及洞口邊坡的開挖,結合滑塌體變形破壞之前的地形圖,分別建立邊坡區地形模型、地質實體模型(見下頁圖1、圖2),模型中考慮的軟弱結構面有F76、F1斷層及FJ1～FJ5蝕變帶,建立的引水隧洞、斷層、片麻巖蝕變帶的位置關系如下頁圖3所示。同時,變形邊坡部位考慮了三組優勢結構面并在模型中建立:(1)片麻理,產狀為NE39°NW∠39°;(2)沿洞口邊坡平行、產狀為NW290°SW∠85°的一組陡傾裂隙;(3)與隧洞軸線近平行或小銳角相交、產狀為NE40°SE∠83°陡傾裂隙組。

圖1 含優勢結構面的三維地質模型圖

圖2 含斷層與片麻巖蝕變帶的邊坡模型剖面圖

2.2 參數的選取

根據場區工程地質報告、結合相關規范、工程類比[11-15],確定的邊坡巖土體及結構面物理力學參數如表1、表2所示。

表1 邊坡巖土體物理力學參數表

表2 滑塌體邊坡結構面力學參數表

2.3 開挖條件下數值模擬計算

開挖條件下的模擬計算分為兩步,即洞口邊坡的開挖及引水隧洞的開挖(圖4)。

圖4 引水隧洞及邊坡開挖條件的三維離散元計算模型圖

(1)洞口邊坡開挖:洞口邊坡開挖后,滑塌體所在部位坡體出現局部卸荷回彈變形,但變形量較小,各方向最大變形量分別為:X方向為0.73 mm、Y方向為0.14 mm、Z方向為0.97 mm,即洞口邊坡開挖雖然可使滑塌體部位邊坡產生局部變形,但總體變形較小,邊坡仍處于穩定狀態。顯然,洞口邊坡的局部開挖不是導致坡體最終失穩的控制性因素。

(2)引水隧洞及支洞的開挖:在洞口邊坡開挖計算的基礎上,利用上述模型模擬了引水隧洞及下平洞段開挖對邊坡變形破壞的影響。如圖5、圖6所示,支洞開挖后產生的變形主要集中在平洞附近,引水隧洞最大位移為0.007 mm;下平洞段僅坡表有少量的開挖,開挖后最大位移為0.005 mm,即引水隧洞及下平洞段隧洞開挖產生的變形較小,且主要集中在洞壁周圍。

圖5 引水隧洞洞開挖下軸線剖面位移等值線云圖

圖6 下平段主洞開挖條件下位移等值線云圖

綜上,引水隧洞及下平洞段隧洞開挖產生的變形主要分布在洞周,對洞口之上的洞口邊坡影響較小,其不是誘發滑塌體失穩的控制性因素。

2.4 爆破條件下數值模擬計算

為了模擬開挖爆破振動條件下坡體的變形破壞特征,在計算模型周圍輸入動力邊界,其中動力荷載與二維計算相同,采用對黃麥嶺煤礦采場監測的爆破條件下水平時程曲線和垂直時程曲線(圖7、圖8)。為防止動力輸入過程中計算模型的區域邊界有可能造成外傳波的反射,計算中在模型四周生成自由場邊界,建立的三維動力計算模型如圖9及下頁圖10所示。分別在引水隧洞的出口、中點、末端及下平段主洞洞口設置4個爆破點,取四個不同位置來模擬爆破震動作用下邊坡的變形破壞情況。

圖7 爆破垂直速度時程曲線圖

圖8 爆破水平速度時程曲線圖

圖9 破振動計算模型設置的自由場邊界示意圖

圖10 計算模型中動力荷載設置點示意圖

如圖11所示為模擬開挖地下洞室不同洞深部位的開挖爆破振動作用的剪應變分布圖。由圖11可知,下平段主洞洞口部位爆破振動對滑塌體部位坡體變形有輕微影響;引水隧洞一定深度內的爆破對邊坡的變形破壞影響不大,僅集中在開挖爆破源附近。即開挖爆破振動對邊坡的變形破壞的影響有限,相對而言,坡表部位的開挖爆破影響稍大,但影響程度也不是誘發邊坡變形的控制性因素。

圖11 4次爆破后剖面剪應變分布云圖

2.5 滲流條件下數值模擬計算

根據前面的分析,地下洞室在開挖至0+089時,掌子面爆破孔出現大量涌水,涌水沿著洞室底板滲入坡體內,對坡體的蝕變帶及片麻巖飽水、軟化作用,同時滲入坡體內的地下水形成孔隙水壓力也對邊坡的穩定性不利。因此,建模中在引水隧洞相應位置設置透水邊界來模擬其涌水作用,同時考慮到水對片麻巖巖體、蝕變帶的飽水、軟化作用。

通過計算洞口邊坡段在洞底滲流作用下邊坡內部和邊坡表部的變形破壞特征表明,在滲流作用下,首先是引水隧洞洞壁沿與洞口邊坡近平行的結構面(NW290°SW∠85°)發生拉裂變形,這與現場平洞發生的變形跡象是基本吻合的。

如圖12～17所示為滲流作用下邊坡變形破壞特征,坡體內蝕變帶部位以及邊坡滑塌體所在區域變形明顯。由圖12～17可知,隨變形的發展,因上游側溝底部位臨空受限、邊坡變形有明顯的向上隆起趨勢,且隨坡體滲流的作用下繼續、坡腳變形逐漸加劇;坡體后緣沿陡傾結構面發生拉裂、錯動。因此,該邊坡的變形主要是洞底滲透水流作用、啟動了坡體的變形。坡體啟動后,變形繼續發展,圖12～13是為型迭代40 000時步到45 000時步的變形特征,坡體變形進一步解體,后緣錯動清晰可見,位移最大達到了10 m。

圖12 計算迭代40 000時步坡體的位移特征云圖

圖13 計算迭代45 000時步坡體的位移特征云圖

圖14～16是迭代50 000、55 000、60 000時步模型單元的相互碰撞、擠壓、錯動、翻滾特征,變形塊體總體向溝內運動,少量堆積于1 080 m高程平臺部位。圖17為計算迭代完成之后的位移矢量圖,計算完成之后最大位移為73.4 m。模擬計算的失穩坡體堆積特征與現場情況基本吻合,這也較好地論證了前面的邊坡變形過程的地質過程機制分析。

圖14 計算迭代50 000時步坡體的位移特征云圖

圖15 計算迭代55 000時步坡體的位移特征云圖

圖16 計算迭代60 000時步坡體的位移特征云圖

圖17 迭代完成后坡體的位移云圖

3 結語

引水隧洞邊坡在天然、洞口邊坡開挖、支洞開挖爆破等條件下總體穩定性較好,淺表層坡體變形不明顯;但在引水隧洞掌子面涌水、沿洞底滲流之后因底板巖體內蝕變帶飽水、軟化等水壓力作用,導致蝕變帶的壓縮變形、沿其向臨空坡面發生蠕滑,并隨變形的發展,上部坡體發生傾倒拉裂,最終貫通形成滑塌體。數值模擬結果再現了前面的地質過程機制分析。