观察图7可以发现，Path2 分布着压应力与拉应力两种残余应力形式，在0～0.3 mm 的路径范围内，残余应力形式为拉应力，在0.3～4.4 mm 的路径范围内，残余应力形式为压应力，残余压应力占据了更多的路径区间；在距离路径起始点0.22 mm 与0.44 mm 的位置，存在着与路径其他区域相比更大的残余应力突变，这些应力突......
2023-06-23
隧洞稳定性三维数值模拟结果
【摘要】：鉴于4条引水隧洞洞间距较小,围岩的变形稳定相对突出,故在前述地质模型讨论的基础上,以4号引水发电隧洞为代表,采用三维空间有限单元法模拟其围岩的变形和应力状况,进而通过弹塑性破坏准则,对围岩变形稳定进行分析评价。
围岩稳定性问题除了表现为前述受结构面控制的块体稳定性问题外,围岩的变形稳定性是其另一类重要表现形式。地下洞室的开挖必然会引起围岩应力的重分布,评价地下洞室开挖后围岩的应力分布特点,以及在这种应力条件下围岩的位移都具有较大的工程意义。鉴于4条引水隧洞洞间距较小,围岩的变形稳定相对突出,故在前述地质模型讨论的基础上,以4号引水发电隧洞为代表,采用三维空间有限单元法模拟其围岩的变形和应力状况,进而通过弹塑性破坏准则,对围岩变形稳定进行分析评价。
10.2.2.1 模型的建立
紫坪铺工程的地下洞室均置于右岸条形山脊,在充分掌握的工程地质条件基础上建立三维有限元计算模型。
(1)计算范围。计算所使用的坐标系垂直方向为y轴,正方向铅直向上；水平平行于隧洞轴线方向为x轴,正方向指向南东；水平垂直于隧洞轴线方向为z轴,正方向指向南西。y方向的数值和海拔高度相同,深度取地表到海拔高程575m,平均深度285m,x方向以4引水发电隧洞进口为参照,4号引水发电隧洞进口的x坐标为100,模型x方向的范围为0～453m；z方向以4号引水发电隧洞中轴线为参照,其坐标为0m,模型z方向的范围为-58～126m。
(2)介质条件。右岸条形山脊在构造上为一完整的向北东向倾伏的沙金坝向斜。主要由三叠系上统须家河组(T33xj)的一套较坚硬、完整的中细粒砂岩、粉砂岩以及软弱的煤质页岩构成。根据水电工程围岩工程地质分类方法,将其分为Ⅱ～Ⅴ类。模型中主要考虑了T33xj11、T33xj12①～T33xj12④、T33xj13①～T33xj13⑨T33xj14①地层以及L9、L10、L11、L12层间剪切错动带。建模时综合参照4条引水发电隧洞纵轴线地质剖面图以及横剖面图等,并加以概化,力求在模型简洁的同时最大限度地和实际情况一致。
计算用各类岩体的物理力学参数根据前期参数建议值(见表10-1),并结合隧洞开挖后现场的工程地质特性调查研究进行综合选取,计算参数如表10-11。
表10-11 岩体和层间剪切错动带的物理力学参数表
(3)边界条件。勘探和地应力测试成果资料综合反映,工程区现今地应力水平较低。故模型边界条件的确定主要为了突出反映地层岩性的影响,其侧边界未施加水平构造应力,而是采用单项约束方式,底边界亦为单项约束边界,山脊表面为自由边界。
(4)模型离散及计算方案。计算采用日本软脑株式会社开发的三维弹塑有限元程序(3D-σ)进行,模型离散工作由程序自动完成,采用六面体20节点等参数单元,本次模拟计算的三维有限元模型共划分5952个单元和26707个节点,能够保证计算具有足够的精度。弹塑性计算采用Mohr-Coulomb屈服准则。
10.2.2.2 洞室区应力场特征
(1)初始应力场特征。初始阶段分析的目的在于研究隧洞开挖前洞室区的地应力分布规律,计算结果如图10-9所示。
图10-9 初始应力场应力矢量图
计算结果表明:①总体上,右岸洞室区初始应力场的分布特征较为稳定,是以自重应力为主的应力场基础上,受河谷下切、应力分异而形成的二次应力场。也就是说,除距岸坡表面一定范围内,受岩性、岩体结构及岸坡形态影响而产生不同程度应力集中与分异外,其余大部分区域表现为最大主应力近于直立,且最大主应力量级随深度变化符合一般的地应力场的变化规律。②由于岩体风化、卸荷以及层间剪切错动带的存在,使得应力在水平方向上有明显的不均匀性或分带性,特别是在风化、卸荷界线处了出现明显的应力集中。③在4号引水发电隧洞所在的范围内(高程:730～810m),初始地应力的变化范围约为最大主应力量值在-1.5～-5.0MPa,最小主应力量值在-0.25～-1.25MPa,中间主应力量值在-0.5～-2.0MPa。总体上看,洞室区的地应力量值不大,对地下洞室的稳定是有利的。
(2)4号引水发电隧洞开挖后围岩应力场特征。本次三维有限元计算考虑4号引水发电隧洞全断面开挖。通过三维弹塑性有限元计算最终获得隧洞开挖完成后的变形和应力场计算成果。图10-10显示了洞室开挖后洞室区应力矢量特征。
图10-10 隧洞开挖后洞室区应力场应力矢量图
为具体评价隧洞开挖后围岩的二次应力场特征,在洞壁上选择了若干具体点位(见图10-10),了解隧洞开挖后洞壁的应力状况,提取这些点处的应力值见表10-12(负号表示压应力)。表中列出了这些点处的σ1、σ2、σ3值以及根据应力状态按照Mohr-Coulomb准则校核的洞壁岩体破坏情况。
表10-12 4号引水发电隧洞各个测点的应力值(开挖完成后)单位:MPa
续表
上述结果表明:①4号引水发电隧洞开挖后,围岩主应力方向发生了明显偏转,总体上,最大主应力(σ1)表现为与隧洞周边相切的趋势。②最大主应力(σ1)的分布范围在-8.0～0.5MPa之间,隧洞开挖以后在围岩应力场中的变化范围为-1.997～0.207MPa。其中隧洞在通过层间剪切错动带(L11)处易产生应力集中,特别是在隧洞顶部,甚至出现拉应力,拉应力量值最大达0.207MPa。③最小主应力(σ3)在围岩应力场中的变化范围为-0.5～1.00MPa,重分布规律与σ1相似,也是在层间剪切错动带处产生应力集中,且易出现拉应力。④中间主应力(σ2)重分布规律与σ1、σ3相似,在围岩应力场中的变化范围为-1.611～0.472MPa,同样在层间剪切错动带处产生应力集中,且易出现拉应力。⑤剪应力的重分布规律在本次计算中重点研究了垂直隧洞轴线剖面的剪应力(τyz)分布情况,从计算结果看,隧洞开挖后在隧洞的四个角部位处产生明显的剪应力集中区,量值在-1.0～1.0MPa间。
10.2.2.3 4号引水发电隧洞开挖后围岩变形特征
(1)一般特征。隧洞开挖完成后,围岩向临空面方向发生回弹变形,主要表现为隧洞顶拱的下落位移较大,而侧壁墙水平向内的位移以及底板拱起的位移较小,如图10-11所示。
图10-11 隧洞开挖后围岩变形趋势图
(a)变形前网络(平行隧洞轴线剖面)；(b)变形后网络(平行隧洞轴线剖面)
同样,对隧洞壁上选取的一些代表性应力测点[见图10-11(b)中标注]对应进行了围岩变形测量,测量成果见表10-13。
表10-13 4号引水发电隧洞各个测点的位移值(开挖完成后)单位:mm
注 表中正值表示位移方向与坐标轴正向相同,负值则相反。
上述位移变形测量成果显示,4号引水发电隧洞开挖完成后,围岩的变形总体上量值不大,一般在数毫米至45mm之间,且主要为y、z方向的位移,x方向位移较小。最大位移量主要出现在隧洞穿过层间剪切错动带的部位,其中y方向的位移达-45.459mm(顶拱下落)。因此,从岩体变形失稳的角度考虑,它们构成了隧洞围岩稳定性的薄弱部位,应考虑相应的工程处理措施。
(2)围岩塑性破坏区分析。计算所采用的3D-σ软件将反映单元应力状态的Mohr圆的半径r与圆心至破坏曲面(强度曲线)之间的最短距离h之比(η=r/h)定义为“破坏接近度”,其含义为η＜1,岩体不破坏；η＞1,岩体破坏；η=1,处于极限平衡状态。同时3D-σ还定义了和破坏接近度相对应的“安全率”概念；安全率＜1表示岩体破坏,安全率＞1表示不破坏,安全率=1处于极限平衡状态。根据以上设定分析,隧洞开挖造成的围岩塑性破坏区也主要出现在层间破碎带通过的部位。受层间破碎带的控制,在层间破碎带附近区域发生了大面积的塑性破坏区,破坏形式以拉张破坏为主。
10.2.2.4 围岩变形稳定性评价
通过4号引水发电隧洞三维有限单元法数值模拟,对其开挖后围岩的变形稳定性状况得到以下认识:
(1)研究区现今地应力水平较低,对隧洞围岩的稳定性影响较小。洞室区应力场的总体分布特征较为稳定,主应力随深度变化符合一般的地应力场的变化规律；岩体风化、卸荷以及层间破碎带的存在一定程度上影响了应力分布的连续性,尤其是风化、卸荷界线附近出现显著的应力集中现象。洞室区的最大主应力值在-1.5～5.0MPa,最小主应力量值在-0.25～-1.25MPa,中间主应力量值在-0.5～-2.0MPa。总体上看,洞室区的地应力量值不大,对地下洞室的稳定较为有利。
(2)隧洞开挖后,围岩主应力方向发生了明显偏转,总体上最大主应力值(σ1)表现为与隧洞周边相切的趋势。最大主应力(σ1)的分布范围在-8.0～0.5MPa之间,隧洞开挖以后在围岩应力场中的变化范围为-1.997～0.207MPa。其中隧洞在通过层间剪切错动带(L11)处易产生应力集中,特别是在隧洞顶部,甚至出现拉应力,拉应力量值最大达0.207MPa。最小主应力(σ3)在围岩应力场中的变化范围为-0.5～1.00MPa,重分布规律与σ1相似,也是在层间剪切错动带处产生应力集中,且易出现拉应力。中间主应力(σ2)重分布规律与σ1、σ3相似,在围岩应力场中的变化范围为-1.611～0.472MPa,同样在层间剪切错动带处产生应力集中,且易出现拉应力。剪应力的重分布规律在本次计算中重点研究了垂直隧洞轴线剖面的剪应力(τyz)分布情况。从计算结果可以看出,隧洞开挖后在隧洞的四个角部位处产生明显的剪应力集中区,量值在-1.0～1.0MPa间。
(3)隧洞开挖完成后围岩向临空面方向发生回弹变形,变形总体上量值不大,一般在数毫米至45mm之间,且主要为y、z方向的位移,x方向位移较小。最大位移量主要出现在隧洞穿过层间剪切错动带的部位,其中y方向的位移达-45.459mm(顶拱下落)。因此,层间剪切错动带的存在对围岩的变形有很大程度的影响,伴随开挖过程的进行将会产生沿层间剪切错动带相对的错动变形,从而影响围岩的稳定性。
(4)围岩的塑性破坏区也主要出现在层间剪切错动带通过的部位。受层间剪切错动带的控制,在层间剪切错动带附近区域发生了大面积的塑性破坏区,破坏形式以拉张破坏为主。
综上所述,隧洞围岩的变形稳定主要受层间剪切错动带控制,在这些部位易产生应力集中,特别是在隧洞顶部,甚至出现拉应力,从而导致围岩发生塑性剪切错动破坏,它们构成了隧洞围岩变形稳定的薄弱部位,应及时加强工程处理。
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