高类别水工隧洞围岩稳定性数值分析.pdf

80水科学与工程技术2023年第5 期高类别水工隧洞围岩稳定性数值分析冯杰（湖北省水利水电规划勘测设计院有限公司，武汉430 0 0 0）摘要：通过有限元数值模拟软件ANSYS对十堰市中心城区引水工程出水口的围岩稳定性进行分析评价。模拟结果表明,该出水口的洞顶沉降和洞底隆起明显大于洞侧壁的卸荷回弹位移，在施加支护后，隧洞围岩在X方向和Y方向的位移减小幅度分别为42.47%和45.8 6%，支护效果明显。围岩的最大第一主应力和最大第三主应力分布在洞底和侧壁夹角和洞底处，在实际工程中，对该位置应重点关注。关键词：引水隧洞；围岩；稳定性；位移；应力中图分类号：TU457D01:10.19733/ki.1672-9900.2023.05.24Numerical simulation analysis of surrounding rock stability of outlet(Hubei Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute Co.Ltd,Wuhan 430000,China)Abstract:Based on the water diversion project in the central area of Shiyan City,the stability of surrounding rock at the wateroutlet of the project is analyzed and evaluated by finite element numerical simulation software ANSYS according to the actualengineering background and engineering geological conditions.The simulation results show that the roof settlement and bottomuplift of the outlet are obviously larger than the unloading and rebound displacement of the side wall of the tunnel.Afterapplying the support,the displacement of surrounding rock in the X direction and Y direction decreases by 42.47%and45.86%,respectively,indicating that the support effect is obvious.The maximum first principal stress and the maximum thirdprincipal stress of the surrounding rock are distributed at the Angle between the bottom and the side wall and the bottom of thecave,which should be paid more attention to in practical engineering.Key words:water diversion tunnel;the surrounding rock;stability;displacement;stress随着经济社会的持续发展，全国尤其是经济高速发展地区用电需求越来越大，在引水工程中，引水隧洞围岩的稳定性至关重要，关系到引水的效益和安全问题。因此,研究引水隧洞围岩的稳定性具有重要意义。针对引水隧洞围岩稳定性问题，很多学者进行广泛研究。李唱唱等1 以新疆某引水隧洞工程为依托，利用水压致裂法和三维水压致裂法对低应力进行现场监测和分析，并采用离散元软件进行模拟研究，分析深埋高地应力下引水隧洞围岩的稳定性问题。李海宁等 2 1 为研究不同产状下层状引水隧洞在施工中围岩稳定性特征，以青海省某引水工程为例，建立了不同岩层倾角下引水隧洞的三维有限元计算模型,分析围岩位移、塑性区及最大主应力的收稿日期 2 0 2 2-0 9-2 1【作者简介 冯杰（1 9 9 5 一），男（汉族），湖北公安人，工程师，主要从事工程地质与水文地质勘测设计工作。E-mail：文献标识码：Btunnel of a water diversion project文章编号：1 6 7 2-9 9 0 0(2 0 2 3)0 5-0 0 8 0-0 4FENG Jie变化规律。郑亚津等 3 结合浅埋隧洞围岩稳定性理论，利用数值模拟软件，对隧洞开挖过程中围岩竖直位移和水平位移及围岩应力特征进行分析。何小龙等 4 利用有限元软件建立三维数值模型，分析外水压力作用下引水隧洞的受力变形。刘杰等 5 以丹巴引水隧洞石英云母片岩为对象，研究岩体各向异性特性及开挖卸荷作用对围岩稳定性影响。李欣 6 胡天明 7 、齐凯 8 、王克忠等 9 针对引水隧洞在开挖和支护过程中围岩的稳定性进行深人分析。王志鹏 1 0 、张明高等 1 1 则是对含节理岩体的隧洞围岩稳定性进行分析。研究者们对于引水隧洞围岩稳定性的分析相对较多，但低于围岩力学性质较差的V类围岩稳定性研究的相对较少,基于此,本文以某引水隧洞出水口2023年第5 期V类围岩为研究对象，根据实际工程中岩体的力学参数，采用数值模拟的方法对该出水口围岩的位移及第一主应力和第三主应力分布情况进行分析，结论可为相似工程案例提供借鉴。1工程概况十堰市中心城区引水工程是十堰市中心城区水资源配置工程的一部分，位于潘口水库进口段霍河隧洞出口段，桩号0+0 0 0 4+2 6 7,设计纵坡1:35 0 0，线路起点高程32 7.5 0 m，终点高程32 6.30 m。进口段至出口段隧洞线路平面总长4.2 6 7 km，设计流量6.7 m/s。进水口位于距潘口水库大坝直线距离约7.5 km的库区右岸岸坡，取水建筑物为竖井式进水口,底板高程327.5m，试验段出水口底板高程32 6.3m，坡降0.028%。进水口设拦污栅、检修闸门、工作闸门,工作闸门后为连接段,连接段后为无压输水洞。输水洞根据岩石类别不同，采用了不同的衬砌型式，隧洞成型断面尺寸3.0 mx3.5m（宽高，城门洞型断面）。引水隧洞总长4.1 9 7 km。根据地质围岩分类，隧洞均为岩石洞,隧洞段均采用城门洞型断面。类围岩段隧洞前期支护采用喷锚钢筋网支护，后期采用全断面钢筋混凝土衬砌，隧洞衬砌为1 0 cm挂网喷锚支护加30 cm钢筋混凝土衬砌，衬砌混凝土强度等级为C25。IV 类围岩段隧洞前期支护采用局部小导管注浆加I-16a钢拱架支护加喷锚钢筋网支护，后期采用全断面钢筋混凝土衬砌，隧洞衬砌为2 5 cm挂网喷锚支护加35 cm钢筋混凝土衬砌。衬砌混凝土强度等级为C25。灌浆采用洞顶1 2 0 回填灌浆加固结灌浆。V类围岩段隧洞前期支护采用管棚注浆加I-18a钢拱架支护加喷锚钢筋网支护，后期采用全断面钢筋混凝土衬砌，隧洞衬砌为30 cm挂网喷锚支护加6 0 cm钢筋混凝土衬砌。衬砌混凝土强度等级为C25。灌浆采用洞顶1 2 0 回填灌浆加固结灌浆。断层带围岩段隧洞前期支护采用管棚注浆加I-18a钢拱架支护加喷锚钢筋网支护，后期采用全断面钢筋混凝土衬砌，隧洞衬砌为30 cm挂网喷锚支护加6 0 cm钢筋混凝土衬砌，底板为1 m厚现浇钢筋混凝土。衬砌混凝土强度等级为C25。灌浆采用洞顶1 2 0 回填灌浆加固结灌浆。2工程地质条件引水隧洞所穿越地形地貌单元属构造侵蚀剥蚀中一低山区。山脉大致沿东西方向伸展。区内山峦重冯杰：高类别水工隧洞围岩稳定性数值分析3水文地质条件工程区地表水主要由堵河、霍河等构成。堵河由西南向东北流经汉江，霍河由东南向西北流经堵河，堵河是区内地表水和地下水的排泄基准面。出口段冲沟主要有蚂沟，常年都有流水，少数冲沟为干沟，这些冲沟构成工程区地表水排泄网络，各冲沟横断面均呈宽缓的“U和“V”型，是区内地表水主要汇集排泄通道。沿线地表水主要由大气降水和冲沟来水补给，向河谷排泄工程区地下水主要包括第四系松散堆积孔隙潜水、基岩裂隙水，该区域夏季雨水充沛，具有大而急的特点，孔隙潜水主要受地表降水补给，区内基岩裂隙水主要赋存于基岩的风化裂隙和构造裂隙中，均匀性极差，依靠大气降水与地表水补给。根据钻孔压水资料显示，出口调整段引水隧洞围岩的岩体透水率大多在1 q5Lu之间，围岩的透水性以弱透水性为主,局部裂隙发育，表现为中等透水性。根据地表与地下水水质分析成果来看，本区地表与地下水化学类型主要为重碳酸钙、镁型。根据GB504872008水利水电工程地质勘察规范环境81叠,地形复杂，河谷深切，峡谷纵横,悬崖峭壁处处可见。总的地势由西向东、由南向北逐渐降低,但南北差异较大，东西差异略小。受北西向断裂构造的控制，形成天然廊道式地形。工程区地形分水岭一般呈近东西向，两侧的山岭多为北北东或南南西的排列，继续向外伸展，属于中山区深切割的高中山带和中低山区的中切割带。山脊多呈尖棱齿状、长垣状，基岩裸露，山坡呈阶梯状，上部山脊段和下部河谷段坡度较陡，一般坡度40 以上，中间坡度略缓，多在2 5 30之间。隧洞出水口围岩主要为V类围岩，该段为隧洞浅埋段，隧洞穿越地层为奥陶系(O)石英绢云千枚岩、绢云石英千枚岩夹泥质绢云千枚岩，围岩为软岩,岩体完整性差，呈强风化 弱风化状，岩层产状为倾向30 倾角45，岩层走向与隧洞轴线夹角一般为65。出口处边坡开挖使得坡体长时间暴露于大气中，加速岩体风化，坡面附近裂隙普遍张开，加上受降雨影响，岩体强度下降明显，手搓易碎，局部泥化，该段地下水以基岩裂隙水赋存,水量贫乏。该段围岩属极不稳定岩体。岩体破碎，结构面极为发育,充填泥质薄膜或夹层，岩体完整性极差，强度低，洞室围岩大多为软岩，岩体结构类型多为极薄层、次块状或碎块结构，围岩变形和破坏较为严重。82水腐蚀判定标准,水对混凝土结构、混凝土结构中钢筋具微腐蚀性、对钢结构具微腐蚀性。4围岩稳定性分析为分析该出水口隧洞的围岩稳定性，根据现场的实测情况采用数值模拟的方法通过有限元软件ANSYS从围岩应力分布及位移变化情况方面综合进行分析。4.1模型建立及参数选取选取出水口围岩典型断面（如图1)作为建模依据，为保证模拟结果的准确性，模型的上边界取实际地形曲面,左右边界距离洞轴线大于5 倍洞径，下边界距离洞轴线大于3倍的洞径。模型剖分中衬砌部分3 5 层单元格，洞周5 m范围内进行网格细化处理，方便观察洞周位移应力变化。建立隧洞及开挖完成后的模型分别如图2 和图3。380冲沟37036035034033032030%4550310平座（m）0-0 0 0 0-0 1 0 0-0 2 0 0-0 30 0 40 0-0 5)0-0 6 9 0-0 7 0 0-0 8 0 0-0 9 0 0+1 0 0 0+1 0 0 1 1 5图1 隧洞出水口断面地质剖面图图2 隧洞出水口模型图3隧洞开挖完成后模型隧洞模型的岩体力学参数及支护方式均与实际工程相同,详细参数及支护方式如表1 和表2。模型选用的是笛卡尔坐标系，整体直角坐标OXY。坐标原点选在模型的左下角，水平向右为X轴正向；竖直向上方向为坐标轴Y轴正向。表1 隧洞围岩主要物理力学参数密度/变形模材料量/CPa泊松比g/cm系数MPaV类2.70围岩衬砌2.75混凝土冯杰：高类别水工隧洞围岩稳定性数值分析表2隧洞围岩岩性及支护理深/围岩开挖岩性m类别洞径/m30cm厚C25混凝土绢云20V3.03.5喷锚支护（钢拱架）加千枚岩60cm钢筋混凝土衬砌4.2位移分析隧洞围岩位移是评价围岩稳定性的重要指标之一,通过对建立模型开挖处理，分析开挖完成后围岩在X方向和Y方向的位移变化情况（如图4和图5。观察发现,开挖后隧洞围岩出现回弹现象,隧洞围岩均向洞内方向发生位移，岩体与隧洞距离越大出现的位移越小。在X方向最大位移出现在隧洞左侧围岩处，位移值AVGELEMENTSOLUTION1.102 cm,隧洞右2DMX=.004602(AVG)SMN=,.001101SMX=.001102侧围岩发生的位8.56F-03001101611E-367E03122E-0303移大小比左侧略613F001102小。在Y方向，隧N310W380图例隧洞Q370奥陶0360石英销云母干枚荐350强风化下像3400331.00口1.012.02023年第5 期衬砌型式灌浆类型入岩3m,排距3m,梅花型布置ANSYS洞顶部围岩出现沉降，沉降量图4开挖后围岩X向位移云图1.738 cm,隧洞底ANSYSAVGELEMENTSOLUTION部出现隆起，隆STEP=UY21(AVG)MX=.00460起值1.5 6 cm,上SMN001568.001738.001738荣四系与基岩分界线.001371330.636E-03.001003部围岩的位移值269E03320地下水位线迎地下水位310内摩擦摩擦黏聚力/角/）0.420.350.200.30略大于下部位移。为分析衬砌作用，同时模拟隧洞在支护完成后围岩的位移变图5 开挖后围岩Y向位移云图化情况（如图6ANSYSAVG ELEMENTSOLUTIONSUB-3STEP-和图7)。加完支TIME=3DMX=.004893UX31AVG)SMN=.633E-03护后可发现，隧5MX-m.634E-03492E-03633E03351E-03洞围岩在X方向-211E-03710E-04.698E-04353E-03212E-03和Y方向的位移403E-03.6.34E-03均发生减小,在X方向最大位移由原来的 1.1 0 2 cm图6 支护后围岩X向位移云图减小为 0.6 34 cm,ANSYSR15.0AVGELEMENTSOLLTIONSUBSTEP-3Y方向最大位移TIME=3UY31DMX=.004893(AVC)由原来的 1.7 38 cmSMX=941E-03SMN=.001029.001029.5912-03.810E03减小到 0.9 41 cm,.372E-03.65-4E-04.153E-03503E-03284E-03减小幅度分别为722E-03.941E-030.16461.548.00156842.47%和 45.8 6%。支护效果较为明显。图7支护后围岩Y向位移云图2023年第5 期4.3围岩应力分析在隧洞开挖完成后，围岩第一主应力和第三主应力的分布情况直接关系到隧洞围岩的稳定性，因此，对该输水工程出水口隧洞围岩的第一主应力和第三主应力分布情况进行分析。隧洞围岩较大的第一主应力呈“梅花状”分布在隧洞四周（如图8），最大的第一主应力分布在洞底和洞侧壁夹角处，最大值1 6 2.1 37 kPa,因此在采取支护措施时，该位置需格外注意。MNMX图8 开挖后围岩第一主应力分布云图隧洞出水口围岩最大第三主应力主要分布在隧洞底部（如图9），呈圆弧状分布，越往下第三主应力越小。隧洞4个角的第三主应力较小，在工程实施中要注意隧洞底部的隆起状况。MN图9 开挖后第三主应力分布云图根据数值模拟得出的结果，在现场进行开挖支护时，着重对洞顶、洞底及洞底和侧壁夹角处的位置进行锚固措施，保证其后期运营期间的稳定性。通过运营期的监测也发现，隧洞出水口围岩的稳定性较图1 0 支护后出水口隧洞冯杰：高类别水工隧洞围岩稳定性数值分析ANSYSR15.0STEP-2NODALSOLUTIONSUB-2TIME=2(AVG)PowerCraphicsAVRES=MalEFACET-1DMX=005195MN=-.105E+07SMX=162137915090105E+076457837804375111302418237647727483.3107170162137ANSYS SOOYLSOLUTONerGraphics(AVG)EFACET-DMX=.005195AVRES-Mat=-1351033E+0730E13510.827058883好，表明支护效果显著。支护完成隧洞如图1 0。5结语(1)该工程隧洞在开挖完成后,围岩向洞内方向发生卸荷回弹,在洞顶的沉降值和洞底的隆起值普遍大于洞侧壁的位移值。Y方向最大位移值为1.7 38 cm，X方向最大位移值为1.1 0 2 cm。(2)在加完衬砌支护之后,隧洞围岩的位移值均发生减小。X方向和Y方向的位移减小幅度分别为42.47%和45.8 6%。支护后的围岩更加稳定。(3)隧洞围岩最大的第一主应力分布在洞底和洞侧壁夹角处,最大值为1 6 2.1 37 kPa，围岩最大第三主应力分布主要分布在洞底，在实际开挖过程中，洞底和夹角处的支护应更加注意。参考文献：1李唱唱,侍克斌,姜海波.深埋高地应力引水隧洞节理围岩稳定性研究 J.水资源与水工程学报,2 0 2 0,31(2):2 1 9-2 2 4.2李海宁,王尚,梁庆国,等.层状岩体引水隧洞围岩稳定性数值模拟分析 J.水电能源科学,2 0 2 1,39(9):1 45-1 48,1 44.3郑亚津,张宇驰.软弱围岩引水隧洞初期开挖稳定性研究 J.水利科技与经济,2 0 2 2,2 8(7):1 8-2 1.4何小龙,吕东阳.某水库引水隧洞围岩稳定性研究 J.四川水利,2 0 2 2,43(1):2 3-2 6.5刘杰,高进,黎照,等.基于各向异性模型的引水隧洞围岩稳定性研究 J.地下空间与工程学报,2 0 1 9,1 5(1):1 8 1-1 9 3.6李欣,许德鑫,徐爽.无支护引水隧洞围岩稳定性研究 J.东北水利水电,2 0 2 2,40(8):40-42.7胡天明,张继勋,任旭华.引水隧洞初期支护及其施加时机对围岩稳定性的影响 J.水电能源科学,2 0 2 0,38(1 0)95-98.8齐凯.深埋高压引水隧洞IV类围岩洞段围岩稳定性分析与支护建议 J.水利规划与设计,2 0 2 0(2):1 32-1 35,1 41.9王克忠,刘耀儒,王玉培,等.引水隧洞复合支护钢拱架变形特性及围岩稳定性研究 J.岩石力学与工程学报,2 0 1 4,33(2):217-224.10王志鹏,张野,张高,刘曜.含节理岩体深埋引水隧洞围岩稳定性分析及优化设计研究 J.红水河,2 0 2 2,41(1):1 0-1 5.11张明高.有限元方法在节理岩体隧洞力学分析中的应用 J.施工技术,2 0 1 8,47(S4):1455-1457.（责任编辑：王艳肖）