某水库工程放空洞竖井坍塌原因分析.pdf

DWRHE2023年第42 卷第3期水利水电工程设计12某水库工程放空洞竖井塌原因分析于野孙向东摘要针对某水库工程放空洞竖井塌从地质、气象条件、施工过程进行了全面回顾和分析，运用三维有限元对竖井塌原因进行反演分析计算，形成的结论性意见可为后续塌处理方案给予技术支撑，为今后类似工程提供可借鉴的工程设计及施工经验。关键词竖井塌分析计算章三维有限元反演计算成因分析中图分类号TV732文献标识码马B文章编号1007-6980(2023)03-0012-04某水库工程任务是农业灌溉和乡镇农村人畜饮水，属等中型工程。放空洞位于大坝左岸，轴线与坝轴线夹角为6 6 2 14.49 ，全长7 15.8 m（洞身段长 6 0 3 m)。放空洞由进口段、上游洞身段、竖井段、下游洞身段、消能段组成，平面布置总长7 15.8 0 m，洞桩号0+2 2 5.5 3处设置转弯。在上游洞身段0+2 7 3处布置竖井，底板高程18 2.6 8 m，竖井平台高程254.1 m。放空洞竖井于2 0 2 1年9 月底开始施工，2 0 2 1年12月31日开挖支护至高程19 5.4m后暂停施工（进人冬歇期）；2 0 2 2 年6 月初竖井开挖至设计底板高程17 9.18 m，竖井在进行最后一榻钢支撑安装时竖井左侧井壁钢支撑异响，1h后竖井左侧井壁下部发生塌。1竖井塌原因初步分析1.1竖井围岩地质条件竖井围岩以凝灰质砂岩和炭质粉砂岩为主，多为软岩，单轴抗压强度一般小于15 MPa，尤其是炭质粉砂岩，不仅岩石强度低，而且水理性质差，失水干裂、遇水崩解；岩体中发育多组节理裂隙，以碎裂结构为主；岩石强度低辅以结构面密集发育，使得围岩类别以IVV 类为主，稳定性差。竖井岩层产状为310 330 SWZ6380，因左壁（东壁）开挖后表现为顺倾临空面，故而对其进行了赤平极射投影分析根据赤平极射投影法分析结果，竖井左侧井壁延伸方向为SW183，主要发育7 组节理，NW303SWZ74、NW2 9 8 SWZ 8 5、NW310 SWZ63、NE 5 2 NWZ 6 7、?NW334SWZ 7 3、NE14SEZ53、NE 6 8 SE Z 5 7。其中L1、L2、L3，L4、L5、L7 组合的交线处于开挖边坡投影弧的同一侧的外侧，说明结构面组合的交线倾向与开挖边坡的倾向一致，倾角小于开挖坡角，属不稳定型组合，对竖井井壁局部稳定有一定影响，竖井开挖期间的确曾发生过小规模掉块，但井壁整体稳定性尚好。1.2气候原因2022年6 月初在施工开挖至设计底高程时，施工区域连续6 d出现大暴雨天气，累计降水量40 70mm，最大小时雨强2 0 30 mm。雨后，竖井左侧井壁开始有基岩裂隙水渗出。1.3竖井塌原因初步分析竖井施工历时约14个月，期间经历了约3个月的冬歇期，施工期间的变形观测结果表明，在与下部导流洞贯通之前，竖井围岩开挖后经一次支护，基本可以保持稳定。根据现场塌过程描述，首次变形破坏始于左壁饱水的炭质粉砂岩（左侧井壁高程17 9.18 190.68m段），由于6 月初发生的强降雨的入渗，竖井下部的炭质粉砂岩含水状态发生了明显的变化。塌发生前，竖井左壁高程19 0.0 0 m以下已经出现面状渗水，而且随雨水的逐步人渗，井壁饱水岩体范围仍在进一步增加，炭质粉砂岩因含水增强，强度急剧下降，增加了作用在一次支护上的山岩压力，最终导致竖井围岩从底部开始变形破坏，并逐步向上牵引加剧变形范围，最终形成现状塌规模。2反演分析计算2.1竖井基本特征分析2.1.1竖井围岩参数反演及建议值根据现场竖井塌描述，竖井左侧井壁滑出点13某水库工程放空洞竖井塌原因分析于野等高程18 3.0 0 m，岩层层面对竖井稳定性起控制性作用。根据滑动边界条件对天然状态下竖井围岩抗剪参数进行反演。反演条件：竖井左侧壁处于极限稳定状态，安全系数取值为1.5。稳定性计算采用摩根斯坦-普莱斯方法（M o r g e n s t e r n-Pr i c e)计算。建立三维地层和节理面模型后，剖二维计算断面导人GeoStudio进行计算，计算面和模型如图1所示。强风化IVV强风化IVV类强风化IVV类IVV类IVV类IVV类IV类V类IV类(a)三维地形和地址切面展示图(b)计算模型图图1竖井抗滑稳定计算模型（GeoStudio）变形稳定计算选用Phase2软件对竖井典型断面进行二维仿真计算。计算模型如图2 所示。300400389(a)V类最大埋深7 0 m(b)IV类最大埋深5 8 m(c)IVV类最大埋深45 m图2竖井变形稳定计算模型（Phase2）依据初设报告，并结合本次参数反演分析结果，竖井围岩地质参数综合建议值见表1、2。表1坚竖井围岩物理力学参数建议值（天然状态）高程/围岩天然密度变形模量弹性模量泊松比抗剪强度残余强度抗拉强度抗压强度主要岩性m类别Pa/(g/cm)E./CPaE./CPac/MPac/MPaR,/MPaR,/MPa179.18190.00V饱水炭质粉砂岩2.680.81.50.450.4 0.10.250.040.45190.00203.00V干燥炭质粉砂岩2.67350.350.70.50.480.280.710干燥凝灰质砂岩203.00237.50 IVV或粉砂岩2.70240.40.550.40.420.241.215表2竖井围岩物理力学参数建议值（降雨工况）天然密度变形模量强弹性模量泊松比抗剪强度残余强度抗拉强度 抗压强度高程/围岩主要岩性（岩体）（岩体）（岩体）（岩体）（岩体）（岩体）（岩体）（岩体）m类别P/g/cm)E./GPaE./CPac/MPac/MPaR,/MPaR,/MPa179.18V饱水炭质粉砂岩2.680.81.50.450.40.10.250.040.45190.00190.00IV饱水炭质粉砂岩2.680.81.50.450.40.10.250.040.45203.00203.00饱水凝灰质砂岩IVV2.711.52.20.430.50.20.30.081.215237.50或粉砂岩2.1.2围岩变形稳定风险判别标准根据规范GB500862015岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范，洞周允许相对收敛量见表3。下转第18 页）DWRHE水利水电工程设计2023年第42 卷第3期14表3洞室周边允许相对收敛值相对收敛值/%隧洞埋深/m类围岩IV类围岩V类围岩3000.41.20.42.01.03.0注：（1)脆性围岩取小值，塑性围岩取大值；（2）适用于高跨比0.8 1.2、埋深小于5 0 0 m，且其跨度分别不大于2 0 m（级围岩）、15 m(IV级围岩）和10 m（V 级围岩）的隧洞洞室工程。否则应根据工程类别，对隧洞、洞室周边允许相对收敛值进行修正。本工程最大埋深7 0 m，其中V类围岩最大埋深70m，I V 类围岩最大埋深5 8 m，I V V 类最大埋深45m。V 类和IV类围岩允许位移取5 0 30 0 m的最小值0.4%，7.7 mx0.4%=0.0308m。I V V 类允许位移取小于5 0 m的最大值0.8%，7.7 m0.8%=0.0616m。2.1.3竖井分析计算方法抗滑稳定计算考虑竖井开挖主要为岩质，岩体顶部少量覆盖层。依据SL386一2 0 0 7 水利水电工程边坡设计规范第5.2.7 条规定，对于土质边坡和呈碎裂结构、散体结构的岩质边坡，当滑动面呈圆弧形时，宜采用简化毕肖普（SimplifiedBishop）法和摩根斯顿-普莱斯法进行抗滑稳定计算，当滑动面呈非圆弧形时，宜采用摩根斯顿-普莱斯法和不平衡推力传递法进行抗滑稳定计算。本工程计算采用GeoStudio软件进行计算，计算方法为摩根斯顿-普莱斯法。变形稳定计算选用Phase2对本工程典型断面进行二维仿真计算。Phase2是一款国际通用的岩土专业岩土工程弹塑性有限元分析软件，它被广泛应用于各类工程项目分析中，包括地表或地下开挖的支护设计、边坡稳定分析、地下水渗流分析以及概率分析等领域。能够完成复杂的、多计算条件步的模型建模分析，诸如软岩或多节理岩体中的隧道、地下厂房洞室群、露天矿坑和边坡、坝体、土工合成材料加筋土结构稳定性等等，能够分析渐进破坏、土与结构相互作用及各种其它问题。Phase2提供全面的支护结构类型模拟，如喷射混凝土、混凝土、钢支架系统、锚杆、预应力锚杆、锚索、多层复合衬砌等。2.1.4计算工况竖井开挖期间根据其真实施工状况、荷载作用和参数的变化情况，竖井开挖抗滑稳定计算和变形稳定计算均分为一次支护后和一次支护后+降雨工况2 种。一次支护后：自重+地下水位作用。一次支护后+降雨：自重+地下水作用+降雨作用参数下降。2.1.5计算结果与分析导流放空洞竖井抗滑稳定安全系数计算结果见表4。表4各工况安全系数计算结果工况沿层面折线滑动自动搜索折线滑动一次支护后1.5321.481一次支护后+降雨0.7610.750导流放空洞竖井变形稳定计算结果见表5。表5各断面变形稳定计算结果一次支护后一次支护后+降雨项目V类最大埋深IV类最大埋深IVV类最大埋深V类最大埋深IV类最大埋深IVV类最大埋深70m58m45m70 m58m45m收敛变形/cm3.60.450.5182.76.75变形占比/%0.470.060.071.040.350.88塑性区范围/m8.801.521.92211.7由计算结果可知，竖井在施工不降雨状态下有一定的安全储备，安全系数约为1.5；施工期+降雨工况安全系数约0.7 5，不能保持稳定。竖井在一次支护后未降雨条件下收敛位移均未超过允许值；一次支护后+降雨工况V类围岩收敛位移8 cm，占比1.0 8%，超过允许0.6%，IVV类围岩收敛位移6.7 5 cm，占比0.8 8%，超过允许0.8%。2.2竖井塌形成机制分析（1）竖井围岩以凝灰质砂岩和炭质粉砂岩为主，多为软岩，单轴抗压强度一般小于15 MPa，尤其是炭质粉砂岩，不仅岩石强度低，而且水理性质差，遇水软化崩解。左壁滑塌段高程为179.18205.0m，围岩类别IVV类，岩性以炭质粉砂岩为主，节理裂隙发育，相互切割，片理化、碎裂化、泥化程度高、构造特征明显，炭质粉砂岩遇水软化、崩解，水理作用明显，岩体强度降低，会产生蠕变失稳。且岩层产状与竖井左壁夹角较小，受岩层、节理裂隙相互切割，左壁存在不利结构面组合。（2）连续降雨，累计降水量40 7 0 mm，受降以上接第14页）DWRHE2023年第42 卷第3期水利水电工程设计18足要求。4竖井满堂脚手架设计及施工应用重点分析竖井满堂脚手架设计方面：设计前应根据相关规范要求确定施工参数，恒荷载及活荷载取值应大于施工恒荷载、活荷载值；水平剪刀撑、竖向剪刀撑及连墙件在满足施工需求的同时，间距宜尽量缩小，架体底部承载基础应平整。若基础为斜面，应在混凝土二次衬砌浇筑时增加脚手架底部立杆支撑平台，满足满堂脚手架承载力要求；因本工程为竖井旋流泄洪洞，竖井空腔内无横向风，故不考虑风荷载，若为地上建筑物搭设脚手架设计，还应增加风荷载取值；满堂脚手架还需考虑随着脚手架层高加高后，增设操作平台下方及满堂脚手架底层的监测监控设备，测点应均匀布置。针对施工材料的输送、作业人员行走及逃生路线、安全措施等也应充分考虑；极端工况下，为保证架体整体稳定，设计时可增设主动卸荷措施，如吊拉卸荷等，确保设计方案安全可靠。竖井满堂脚手架应用方面：在脚手架搭设过程中要明确施工顺序及相应的工艺要求，专职安全员及相关施工作业人员要持证上岗，方案应进行安全技术交底并签字；施工过程中应对竖井周雨入渗影响，左壁已经出现面状渗水，炭质粉砂岩因含水增强、遇水崩解后，岩体抗剪强度急剧下降；受岩层、节理裂隙组合切割，构成倾向竖井内的潜在楔形体，沿层间软弱结构面向下滑动。3 结语（1）竖井围岩以凝灰质砂岩和炭质粉砂岩为主，多为软岩，单轴抗压强一般小于15 MPa，尤其是炭质粉砂岩，不仅岩石强度低，而且水理性质差，遇水软化崩解。左壁滑塌段高程为17 9.18 205.0m，围岩类别IVV 类，岩性以炭质粉砂岩为主，节理裂隙发育，相互切割，岩体片理化、碎裂化程度高，岩体遇水饱和后工程性状急剧下降。（2）岩层产状与竖井左壁夹角较小，受岩层、边环境进行管控，避免人员坠落，碎石掉落，造成安全事故。同时在施工前应明确安全撤离路线及保障措施，在施工材料输送过程中，施工作业人员应在安全区域等待，待材料降至操作平台后再行施作；雨季施工过程中应增设竖井口防雨、作业通风、基坑强排水、安全用电、应急通讯等措施，确保施工安全。5 结语青山冲水库竖井满堂脚手架已按设计方案及应用保障措施搭设完成，2 0 2 3年3月竖井旋流泄洪洞混凝土二次衬砌、固结灌浆施工已全部完工，竖井满堂脚手架作为施工操作架在施工过程中整体稳定，为工程顺利实施提供了有力保障，实现了设计方案中所有功能，未发现异常，具有一定的经济效益及推广价值。作者简介王星光男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222于可忧女工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222（收稿日期2023-06-10)节理裂隙相互切割，左壁存在不利结构面组合。（3）连续降雨，累计降水量40 7 0 mm，受降雨人渗影响，左壁已经出现面状渗水，炭质粉砂岩因含水增强、遇水崩解后，岩体抗剪强度急剧下降；最终导致竖井围岩从底部开始变形破坏，并逐步向上牵引加剧变形范围，最终形成现状跨塌规模。（4）对今后类似工程，建议加强井口便面排水设计及井壁一次支护的排水设计。作者简介于野男高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222孙向东男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222（收稿日期2023-05-26)水定城以水定地以水定人以水定产