蔣天元

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司， 遼寧 朝陽 122000)

1 工程背景

朝陽調(diào)水工程是遼西閻王鼻子水庫的配套工程之一，是以閻王鼻子水庫為供水水源向朝陽市供水的重要工程。工程項目主要由沉沙池、提水泵站、供水管道以及凈水廠等水工建筑物構(gòu)成，設(shè)計供水規(guī)模為每年5500萬m3，建成后可以有效滿足凌鋼新區(qū)、燕山湖電廠以及其他用戶的需求。供水水源閻王鼻子水庫是以朝陽市工業(yè)和生活供水、城市防洪為主，兼具發(fā)電等綜合效益的大型水利樞紐工程，壩址位于大凌河中游，距離朝陽市25km，總庫容2.17億m3，于1999年建成蓄水[1]。該工程的引水隧洞為壓力引水隧洞，全長12km，開挖斷面為圓拱斜墻，4條施工支洞總長4.5km，均為13%左右的倒坡，襯砌后成洞斷面為圓形。輸水隧洞的部分洞段地質(zhì)環(huán)境較差，需要穿越較大的斷層4條，存在極軟巖、軟巖以及瓦斯洞段等不良地質(zhì)洞段，施工難度較大。

在地下洞室工程施工中，開挖施工會造成圍巖的應(yīng)力重新分布進(jìn)而在部分區(qū)域形成損傷區(qū)[2]。損傷區(qū)的范圍和損傷程度是圍巖穩(wěn)定性評價、施工設(shè)計以及支護(hù)參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化的重要依據(jù)[3]。根據(jù)巖土力學(xué)領(lǐng)域的彈塑性理論，開挖損傷區(qū)即為圍巖的塑性區(qū)，因此大部分?jǐn)?shù)值模型研究中的塑性區(qū)僅有一個范圍，而沒有損傷程度、可能發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生破壞的區(qū)域以及周圍彈性區(qū)向塑性區(qū)轉(zhuǎn)變的相關(guān)信息[4]。因此，本次研究以朝陽調(diào)水工程引水隧洞3#施工支洞軟巖洞段為例，基于破壞接近度函數(shù)對圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析，以解決傳統(tǒng)圍巖穩(wěn)定性研究中的塑性區(qū)表達(dá)缺陷，為相關(guān)工程設(shè)計和建設(shè)提供理論支持。

2 基于破壞接近度的圍巖穩(wěn)定性分區(qū)

2.1 破壞接近度的含義

以圍巖的主應(yīng)力分量為變量，屈服函數(shù)可以視為應(yīng)力空間內(nèi)所有屈服點對應(yīng)應(yīng)力點構(gòu)成的屈服曲面，屈服曲面上的應(yīng)力點處于臨界狀態(tài)，屈服曲面以內(nèi)和以外的點分別處于塑性和彈性狀態(tài)[5]。根據(jù)屈服函數(shù)的概念，周輝提出了屈服接近度的概念[6]。在塑性力學(xué)范疇內(nèi)，塑性剪應(yīng)變是描述巖土體從塑性狀態(tài)向破壞狀態(tài)轉(zhuǎn)化過程中的損傷程度的重要概念[7]。因此，參照屈服接近度的概念，本文研究提出破壞接近度的概念。首先，破壞度是巖土體的塑性剪應(yīng)變與極限塑性剪應(yīng)變的比值，其表達(dá)式為：

(1)

由上述定義可知，當(dāng)破壞度大于等于或小于1時，巖土體處于破壞、臨界破壞和未破壞狀態(tài)。結(jié)合屈服函數(shù)和屈服接近度的定義，令ω=1-FAI，則破壞接近度FAI的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

顯然，在巖土體發(fā)生屈服之前，可以使用屈服接近度參數(shù)(ω)對巖土體單元應(yīng)力狀態(tài)的危險性進(jìn)行定義，當(dāng)巖土體單元為塑性狀態(tài)后，則使用破壞度的參數(shù)(1+FD)對其塑性損傷程度進(jìn)行表達(dá)。因此，當(dāng)0≤FAI≤1、1≤FAI≤2、FAI>2時，巖土體單元分別處于彈性狀態(tài)、塑性未破壞狀態(tài)和破壞狀態(tài)。

2.2 圍巖穩(wěn)定性分區(qū)

在地下洞室工程開挖施工過程中，圍巖會面臨應(yīng)力釋放和應(yīng)力場的重部，進(jìn)而產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中[8]。如果上述局部集中的應(yīng)力值超出圍巖強度，圍巖即會發(fā)生破壞直至重新形成應(yīng)力平衡。在上述過程中，圍巖狀態(tài)會隨著深度的不同劃分為不同的松動圈和狀態(tài)分布區(qū)域。本次研究結(jié)合陳建功、左建平等學(xué)者的研究成果和破壞接近度的定義[9- 10]，將圍巖劃分為低應(yīng)力區(qū)、開挖擾動區(qū)、開挖損傷區(qū)一級破壞區(qū)，其判別標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 基于破壞接近度的圍巖區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 數(shù)值計算模型

3.1 模型的建立

朝陽調(diào)水工程引水隧洞3#施工支洞軟巖洞段為直徑3.5m的圓形隧洞，在充分考慮模型邊界效應(yīng)影響基礎(chǔ)上，選擇模型的尺寸為15m×10m×15m，然后利用FLAC3D進(jìn)行隧洞模型的建立。對構(gòu)建的模型利用四面體網(wǎng)格單元劃分，并對關(guān)鍵部位進(jìn)行加密，最終生成219273個網(wǎng)格單元，38974個節(jié)點，網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 計算模型網(wǎng)格劃分示意圖

3.2 邊界條件與計算方案

根據(jù)實地測量的地應(yīng)力數(shù)據(jù)設(shè)置模型的邊界條件，對模型的后面、下面和左面分別固定，對前面、上面和右面分別施加4.5、1.1和6.0MPa且指向隧洞的力，用于模擬隧洞受到的地應(yīng)力[11]。在利用模型進(jìn)行數(shù)值模擬過程中，根據(jù)現(xiàn)場施工方案設(shè)計為全斷面開挖不支護(hù)的施工方式[12]，計算過程中設(shè)計10步開挖，每步的開挖進(jìn)尺為1.0m，模型開挖的示意圖如圖2所示。為了對開挖過程中研究洞段圍巖的應(yīng)力位移和破壞區(qū)的發(fā)展演變情況進(jìn)行直觀了解，在研究洞段的各個部位設(shè)置了40個監(jiān)測點，監(jiān)測剖面為y=0.5剖面，其具體布置如圖3所示。

圖2 開挖方案示意圖

圖3 監(jiān)測點布置示意圖

4 計算結(jié)果與分析

4.1 位移場分析特征

利用上節(jié)構(gòu)建的模型，對研究洞段開挖施工過程中的圍巖位移進(jìn)行模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果繪制出如圖4—7所示的隧洞開挖完畢后各個監(jiān)測點的豎向和水平位移曲線。

圖4 研究洞段頂部豎向位移曲線

圖5 研究洞段底部豎向位移曲線

圖6 研究洞段右側(cè)水平位移曲線

圖7 研究洞段左側(cè)水平位移曲線

由圖4—7可知，在研究洞段開挖完畢之后，研究洞段頂部除了首尾2個監(jiān)測點之外，其余8個監(jiān)測點均表現(xiàn)為沉降位移，而底部全部表現(xiàn)為隆起位移，且隧洞中部的豎向位移變形量最大，說明該部位的圍巖狀況最差；從水平位移來看，研究洞段左右兩側(cè)的水平位移均指向隧洞，且隨著開挖防線不斷減小。但是，隧洞中部左側(cè)監(jiān)測點的水平位移存在突然增大的情況，原因是該部位的巖石破碎比較嚴(yán)重。

4.2 破壞區(qū)分布特征

研究中以上節(jié)提出的破壞接近度函數(shù)為基礎(chǔ)，綜合利用zextra命令和FISH語言編程，獲得研究洞段在不同開挖步數(shù)下的圍巖破壞接近度分布云圖。按照表1中的基于破壞接近度的圍巖區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)出不同區(qū)域的輪廓線及相應(yīng)的FAI值，結(jié)果如圖8—13所示。

圖8 第1步開挖典型剖面破壞接近度云圖

圖9 第2步開挖典型剖面破壞接近度云圖

圖10 第3步開挖典型剖面破壞接近度云圖

圖11 第4步開挖典型剖面破壞接近度云圖

圖12 第7步開挖典型剖面破壞接近度云圖

圖13 第10步開挖典型剖面破壞接近度云圖

由圖8—13可知，在研究洞段進(jìn)行第1步開挖之后，受到開挖導(dǎo)致的空間效應(yīng)作用，在典型斷面的頂部出現(xiàn)了小范圍的開挖擾動和損傷區(qū)，F(xiàn)AI的最大值為1.25，說明圍巖力學(xué)強度性質(zhì)并沒有出現(xiàn)明顯的弱化，僅發(fā)生開挖損傷并沒有破壞；在第2步和第3步開挖過程中，施工開挖的掌子面逐漸遠(yuǎn)離典型斷面，因此空間效應(yīng)作用明顯減弱的同時圍巖的應(yīng)力也獲得了充分的釋放，因此，頂部的開挖擾動進(jìn)而損傷區(qū)范圍較第1步開挖之后明顯擴大，同時，在隧洞的頂部出現(xiàn)了FAI值大于2.0的區(qū)域，說明圍巖已經(jīng)出現(xiàn)破壞；在第4步至開挖完畢，施工開挖的掌子面距離典型斷面越來越遠(yuǎn)，因此開挖擾動對典型斷面的影響不斷減小，因此圍巖的破壞情況逐漸趨于穩(wěn)定。在第10步開挖完畢之后，模擬顯示的破壞區(qū)與現(xiàn)場的調(diào)查結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)語

本次研究針對傳統(tǒng)數(shù)值模型研究中塑性區(qū)表達(dá)方面的不足，提出了破壞接近度的概念。以朝陽調(diào)水工程引水隧洞3#施工支洞軟巖洞段為例，利用FLAC3D軟件進(jìn)行有限元計算模型的構(gòu)建，對研究洞段的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并驗證了破壞接近度在圍巖穩(wěn)定性研究方面的理論和實踐價值。由于極限塑性剪應(yīng)變是破壞接近度研究中的關(guān)鍵參數(shù)，本次研究中的上述參數(shù)值主要來自于其他學(xué)者的研究成果，而如何確定不同巖土體的極限塑性剪應(yīng)變的方法需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以便為破壞接近度的計算提供必要的支持。