遍布节理对地下洞室群围岩稳定性的影响研究_冷先伦

第42卷第9期2009年9月
土 木 工 程 学 报
C H I NA CI V I L ENG I NEER I NG J OURNAL
V o.l 42Sep . N o .9
2009
基金项目:国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目(90715042)、
国家科技支撑计划项目(2006BAB04A06)、院方向性项目(KZCX2-Y W-109-3)
作者简介:冷先伦,博士,助理研究员收稿日期:2008-04-22
遍布节理对地下洞室群围岩
稳定性的影响研究
冷先伦 盛 谦 朱泽奇 张勇慧
(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉430071)
摘要:因地质条件的复杂性,导致节理、断层、裂隙等弱面较为发育,致使在对大型地下洞室群围岩稳定性研究中很难全面考虑各弱面对稳定性的影响,因此我们通过引入遍布节理模型,同时考虑岩块和节理属性,使研究更加符合岩体状态及工程实际。

介绍可考虑岩体中节理弱面的遍布节理弱面模型及其在有限差分程序中的实现,选取佛子岭抽水蓄能水电站地下厂房洞室群作为工程实例,对比分析洞室围岩在莫尔-库伦模型和遍布节理模型两种条件下的位移、应力状态和塑性区发展情况。

在引入遍布节理模型后,洞室壁水平位移值增长显著,主应力值有一定程度增加,而围岩顶拱和底板变化不明显,只略有加大,在洞室交接处,应力集中现象较明显。

运用正交设计方法,选取六种不同走向和倾向的遍布节理弱面,研究遍布节理弱面的走向和倾向对围岩变形的影响。

研究结果表明,遍布节理弱面对地下洞室群围岩稳定性有较大影响,当其方向与断层弱面方向垂直且与洞室群成斜交时,影响最大。

关键词:遍布节理模型;地下洞室群;围岩稳定;正交设计;FLAC 3D 中图分类号:TU 473.5 文献标识码:A 文章编号:1000-131X (2009)09-0096-08
E ffect of ubiquitous joints on the stability of surrounding rock
m ass ofm ulti ple underground caverns
L eng X i a nl u n Sheng Q i a n Zhu Z eq i Zhang Yonghu i
(I nstit u te of Rock and So ilM echan ics ,t h e Ch i n ese A cade m y of Sc iences N ationalK ey Laboratory o f SoilM ec han ics and Engineeri n g ,W uhan 430071,China)
A bstract :C o mp lex ity of geolog i c al cond iti o ns leads to deve l o pm ent o f w eak planes inc l u d i n g j o i n ts ,fractures ,and
fau lts ,and m akes it d ifficu lt to consi d er the effects o f a ll t h ese types of w eak p lanes .The ubiqu itous -j o i n t m ode l
consi d er i n g the effect o f jo i n tw eak planes i n rock m ass i n FLAC 3D
is introduced .The fuzili n g pum ped storage hydropo w er stati o n is taken as an exa m ple for num erical ana l y sis ,and t h e displace m en,t stress and plastic y ielding reg i o n of the surrounding rock m ass o f the underground cavern group are analyzed by app lying t h e M ohr -C oulo m b m odel and the
ub i q u itous -j o intm ode,l respecti v ely ,in FLAC 3d
.For the ub i q u itous -j o int m ode,l the horizonta l disp lace m ent o f the cavern w a ll and the princ i p al stress are greater than t h ose by M ohr -Cou lo mb m ode,l but the i n creases are not ev i d ent i n the cro wn and floor o f under g r ound caver n .M oreover ,the stress concentration can be easily observed i n the i n ter m ed iate reg ions bet w een the caverns .S i x types of ub i q u itous -j o int w eak planes w ith d ifferent stri k es and d i p s are chosen by un ifor m design to study t h e effects o f str i k es and d i p s on the defor m ati o n o f the surrounding rock m ass .The resu lts sho w tha t ub i q u itous -joint w eak plane sign ificantly affects the defor m ati o n of the surroundi n g rock m ass ,and the effect is m ax i m a lwhen the ub i q u itous -j o intw eak planes are perpendicu lar to the fault plane and oblique to the caver n group .K eywords :ub i q u itous -j o i n t m ode;l under g round caver n g r oup ;stab ility of surr ound i n g rock m ass ;un ifor m
design ;FLAC 3D
E -m ai:l lengx ianlun @to m.co m
引 言
大型水利水电工程地下洞室群结构分析问题具有以下主要特点[1-3]
:¹地质条件和地质构造的复杂
性(三维空间的非均质性、不连续性,存在软弱夹层、断层、裂隙及层间错动带);º具有预应力/结构0特性
第42卷第9期冷先伦等#遍布节理对地下洞室群围岩稳定性的影响研究#97#
(存在以压为主的地应力,在开挖时引起卸荷或加载);»岩体的强度和变形特征未知,特别是/峰值后0的性质至关重要;¼具有可变性和不确定性。

因此,地下洞室群围岩稳定性问题是一个/数据有限的岩石力学问题0。

在此,我们将主要研究地质条件和地质构造(即:弱面、夹层和断层)对地下洞室群围岩稳定性的影响问题。

大型地下洞室群通常都是洞室布置复杂,大量断层与洞室结构相互交错,由于断层与地下洞室相交的任意性和复杂性,直接影响着地下洞室群围岩的稳定性。

近20年来,在计算机软件硬件不断更新的支持下数值模拟技术发展迅速,许多复杂的力学模型和边界条件都可以借助计算机进行模拟分析,能较好地对大型地下洞室群围岩的稳定性做定性分析。

对不连续面纵横交错的岩体的分析方法大致可分为如下几种[4-5]:¹用等效连续体来替代岩体中的不连续断层、弱面等;º用特定的节理来模拟岩体中的不连续体;»研究微裂纹的连续发展而导致的剪切带的形成及其积累过程。

在本文研究中,我们将上述方法中的¹和º进行有效结合,用以分析大型地下洞室群围岩的稳定性。

具体思路如下:首先,用等效的方法将洞室群附近的小节理、断层、裂隙等不连续体等效为连续介质;其次,用软弱夹层来模拟大断层;最后,用遍布节理单元来模拟洞室群附近影响围岩稳定性的一组节理弱面。

本文采用有限差分法(FLAC3D程序),研究大型地下洞室群围岩的稳定性,并采用遍布节理模型来对比分析有无节理弱面对大型地下洞室群围岩稳定性的影响。

1遍布节理模型
遍布节理模型(Ub i q u itous-j o i n t mode l)实际上是莫尔-库伦模型(M ohr-Coulo mb m odel)的扩展[6-9],即在莫尔-库伦模型中增加节理弱面,此节理弱面也服从莫尔-库伦屈服准则,岩体的应力为莫尔-库伦模型计算的应力和遍布节理模型计算的局部应力转换到整体坐标系下的累加。

该模型同时考虑岩体和节理弱面的物理力学属性,破坏可能首先出现在岩体中或节理弱面上,其主要取决于岩体应力状态、节理产状、岩体及节理弱面力学性质等。

遍布节理模型即能模拟节理对洞室稳定的影响又不需要增加多余的有限元网格从而导致对计算机要求的提高,因此遍布节理模型在洞室稳定性分析中有较好的可操作性和较高的计算效率。

在此我们仅介绍遍布节理模型及其屈服准则。

节理弱面的方位和应力状态可由局部坐标表示(如图1所示),广义坐标和局部坐标下应力的关系可由式(1)表示:
R c=C T R C(1)式中:
C=
cos(x c,x)cos(x c,y)co s(x c,z
)
cos(y c,x)cos(y c,y)co s(y c
,z)
cos(z c,x)cos(z c,y)cos(z c,z)
;
(x c,x)为局部坐标轴x c与广义坐标轴x之间的夹角;
C T为C的转换矩阵。

图1节理弱面局部坐标
Fig.1Loca l coord i nates of a weak jo i n t p l ane
在遍布节理弱面局部坐标下,用来描述弱面的应力变量有4个,分别为:$R c1、$R c2、$R c3和$S,其中$S=$R c213+$R c223,$R c1为节理弱面在局部坐标系下的最大主应力增量。

局部坐标下弹性应力和应变增量可由式(2)表示: $R c1=A1$e c e1+A2($e c e2+$e c e3)
$R c2=A1$e c e2+A2($e c e1+$e c e3)
$R c3=A1$e c e3+A2($e c e1+$e c e2)
$S=2G$C e
A1=K+4G/3
A2=K-2G/3
(2)
式中:K为体积模量;G为剪切模量。

在(R3c3c,S)坐标系中表示的是节理弱面屈服准则[10],如图2所示。

图2节理弱面屈服准则
F ig.2Jo i n t w eak-p l an e fa il u re cr iterion
#98 #土 木 工 程 学 报2009年
根据莫尔-库伦屈服准则,局部坐标下屈服包络线AB 可表示为f s
=0;拉伸破坏包络线BC 可表示为f t
=0,且能表示为以下关系式:
f s
=S +R c 3tan 5j -c j f t
=R c 3-R t
j
R t j max =c j /tan 5j
(3)
式中:5j 、c j 、R t j 分别为节理弱面的内摩擦角、黏聚力及抗拉强度。

如图3,图中/+0表示稳定区域,/-0表示屈服
区域。

当岩体应力状态处于稳定区域时,岩体呈线弹性状态,不需要进行塑性修正,而进入屈服区域时,根据关联(非关联)流动法则,需要进行修正。

其函数形
式可表示为:
h =S -S p
j -a p
j (R c 3-R t
j )
(4)
图3 遍布节理模型中节理弱面流动法则区域F i g .3 Do ma i n in the definiti on of the joint weak
p lane f l ow ru l e in ubiquitou s joi n t m ode l
式中:S p j 、
a p
j 为两个参数,可表示为:S p
j =c j -tan 5j R t j a p
j =
1+tan 52j
-tan 5j
当节理弱面的应力状态处于区域1中时即进入剪
切破坏,通过利用流动法则和势函数g s
将应力状态点拉到包络线f s
=0上;如果应力状态处于区域2中即进入拉破坏状态,通过势函数g t
将应力状态点拉到包络线f t
=0上。

g s 为非关联剪切塑性流动法则势函数,其形式为:g s
=S +R c 3tan W j
式中:W 为节理弱面的膨胀角。

g t
为关联拉伸塑性流动法则势函数,其形式为:
g t
=R c 3
2 工程背景及数值模型
佛子岭抽水蓄能电站是利用已建磨子潭水库作为上库,在佛子岭水库东支流狮子崖处筑坝,形成狮子崖到磨子潭区间过渡性下库。

地下厂房布置在磨子潭水库大坝左坝肩的山体内,厂内安装2台80MW
的可逆式水泵水轮机组。

佛子岭抽水蓄能电站地下厂房洞室群包括:主厂房洞室、母线廊道、母线洞室、副厂房洞室、引水洞、施工洞、尾水洞。

区域内的岩性为:角闪斜长片麻岩。

存在
一条对洞室稳定影响较大的断层F1,其宽度40~60c m ,
两侧影响带约20c m,倾角约为-70b ,走向角约为-25b ,及一组主要的遍布节理弱面,其相关参数见表1。

表1 岩体力学参数表Table 1 Para m eters of rock m asses
岩层重度(kN #m -3)摩擦系数
黏聚力(M Pa)变形模量(GPa)抗拉强度(M Pa)泊松比风化层26.5 1.0 1.01530.25新鲜岩层26.8 1.2 1.4204
0.2F1断层(弱面)24.00.450.17
)0.35遍布节理弱面
)
0.6
0.1
)0.03)
三维模型计算范围取为240m @300m @270m 。

计算坐标系X 轴正方向取为主厂房轴线方向
(N86.6618b E ),Y 轴正方向取为垂直厂房轴线方向(N3.3382b W ),Z 轴正方向取为垂直向上,坐标系符合右手坐标系准则。

X 方向取240m (正负120m ),Y 方向取320m (正负160m ),Z 方向取为0m 高层延至地表。

地下厂房的网格图如图4,开挖部分网格图如图5。

采用FLAC3D 程序,分别以莫尔-库伦和遍布节理模型作为本构关系,分析了佛子岭抽水蓄能电站地下厂房洞室群的稳定性。

数值模型共划分网格数为
:节点18837个,单元109234个。

模型四周采用法向约束,底部三向约束,地表自由。

岩体的初始地应力只考虑自重应力,岩体力学参数见表1所示,分8步按高程从上而下开挖。

图4 地下厂房的网格Fig .4 M esh of underground p l ant
3 计算结果分析
3.1 2#机组剖面开挖完成后位移与变形分析
F1断层穿过主厂房区,与2#机组剖面相交,因此对2#机组剖面分析具有典型性和代表性。

开挖过程中,主厂房地下洞室群岩体的总体变形
趋势表现为向临空面方向移动,顶拱下沉,底板回弹,
第42卷 第9期冷先伦等#遍布节理对地下洞室群围岩稳定性的影响研究#99
#且底板向上的回弹量大于顶拱向下的变形量;主厂房顶拱和底板由于F1的存在,使得F1断层在开挖面出露处的变形明显大于其他部位;主厂房左边墙向下向
洞内变形,右边墙由于F1的斜穿,开挖变形略大于左边墙的变形。

图5 开挖部分的网格F ig .5 M e s h of excavation
由图6~图12(图中位移单位:mm;应力单位:Pa ,
后面图形与此相同)可以看出,在莫尔-库伦模型下,2#机组剖面顶拱的最大下沉量约3.5mm,底板的最大回弹量约为3.9mm;左右边墙变形约为1.0~2.0mm,厂房轴线剖面顶拱两端墙的变形约为1~2mm 左右,厂房轴线剖面顶拱的最大下沉量约为3.2mm ,底板的最大回弹量约为4mm 。

在遍布节理模型下,2#机组剖面顶拱的最大下沉量约4.4mm,底板的最大回弹量约4.7mm ;左右边墙的最大变形约2.9mm 和4.4mm,厂房轴线剖面顶拱的最大下沉量约4.1mm,底板的最大回弹量约4.4mm。

图6 2#机组剖面位移等色云图和位移矢量图
(莫尔-库伦模型)
F ig .6 D isp l ace m ent n ephogra m and vec torgraph of the
N o .2p l an e (M oh r -Cou l o m b model)
由比较可知,在遍布节理模型下的位移较莫尔-库伦模型下的位移值有一定的增大。

因为遍布节理弱面与厂房斜交,致使2#机组剖面左右边墙的水平X 向位移有了较大增加,最大值增幅约为100%~200%,而竖直Z 向位移影响不是很大,最大值增幅仅约为25%左右,且位移形态没有发生改变。

3.2 2#机组剖面开挖完成后应力分析
开挖完成后,地下厂房临近区域的最大主应力主要表现为垂直于开挖面的径向应力,最小主应力主要
表现为沿开挖面方向的切向应力。

其量值-1.3(压)~1.17MPa(拉);由图13~图17可以看出,在2#机组剖面区域,莫尔-库伦模型下,最大主应力量值约为-1.4(压)~0.75M Pa (拉),最小主应力量值约为-7.5(压)~1MPa(拉)。

在遍布节理模型下,最大主应力量值约为-1.6(压)~0.5MPa(拉),最小主应力量值约为-8.2(压)~-0.031M Pa (压)。

由比较可知,2#机组剖面区域最大压应力增大,增幅约为10%,最大拉应力减小,减幅约为50%,但因拉应力本身数值较小,所以减幅的百分比较大而量值却较小。

在洞室群交接处和断层与洞室群相互切割处,应力集
中现象较为明显。

#100#土木工程学报2009年
4遍布节理弱面走向和倾向对洞室围岩变形的影响
4.1遍布节理弱面走向和倾向样本选取
根据地质探测报告情况,佛子岭抽水蓄能电站地
下厂房区域,存在另外几组较小的遍布节理弱面,为
更好地研究洞室群的稳定性,一并研究这几组节理弱
面对洞室围岩的影响[11-12]。

这几组节理弱面的走向
角和倾向角转换后大致为:走向角-30b~70b,倾角
60b~80b。

对走向角取6水平分别为-30b、-10b、
第42卷第9期冷先伦等#遍布节理对地下洞室群围岩稳定性的影响研究#101#
10b、30b、50b和70b,倾角取3水平分别为60b、70b和
80b,通过混合水平的均匀设计表构造样本如表2。

以
样本作为研究方案,研究不同走向和倾向的遍布节理
对地下洞室群围岩变形的影响。

表2均匀设计样本
Tab le2Sa mp les of unifor m desi gn
样本数走向角(b)倾角(b)
方案11080
方案27070
方案3-1060
方案45080
方案5-3070
方案63060
4.2洞室围岩变形分析
由图17~图21可以看出,当改变遍布节理弱面
的走向和倾向时,地下洞室群围岩的变形形态未发生
较大改变,但位移值的大小确有较大改变,具体表现
为:2#机组剖面边墙位移最大值达到4.5mm左右,顶
拱的最大下沉量约4.6mm,厂房轴线剖面顶拱的最大
#102#土木工程学报2009年
下沉量约4.5mm,底板的最大回弹量约在4.3mm。

在不同遍布节理弱面的影响下,厂房轴线剖面底板的回弹位移改变不明显,说明遍布节理弱面走向和倾角的变化对其影响较小。

通过对图17~图21的比较分析,发现洞室群围岩的变形在方案3时达到最大值,说明在方案3时的遍布节理弱面对洞室群围岩的稳定性影响最大。

图22为方案3(如表2)时候的遍布节理弱面与洞室群的相交情况,从图中可以看出,此时的遍布节理弱面方向与断层弱面方向大致相互垂直,而与洞室群成斜交。

5结论
通过对遍布节理弱面模型(Ubiqu itous模型)的理论分析,并运用FLAC3D程序,对佛子岭抽水蓄能电站地下洞室群围岩做了三维数值仿真分析,对比分析了莫尔-库伦模型和遍布节理模型的计算结果,得到以下结论:
(1)遍布节理弱面对大型地下厂房洞室群围岩的稳定性有较大影响,特别是在节理弱面的走向和倾向的影响区域尤为显著;
(2)通过对Ub iqu itous模型和莫尔-库伦模型计算结果的对比分析,发现在遍布节理弱面的影响区域,洞室群围岩左右边墙的水平位移增加明显,最大值增幅约为100%~200%,而对围岩顶拱和底板的竖向位移影响较小,最大值增幅约为25%左右,位移变形形态未发生改变;
(3)由于遍布节理弱面的影响,地下洞室群围岩的主应力也有不同程度的增加,虽然最大值增幅变化不大,但在围岩上下边墙区却较为明显,在洞室群相交的区域,应力集中现象较为明显;
(4)不同走向和倾向的遍布节理弱面对洞室群围岩的变形形态影响不明显,而对位移值的影响较大,当遍布节理弱面方向与断层弱面方向大致垂直且与洞室群成斜交时,对洞室群围岩的稳定性影响最大。

综上所述,遍布节理模型能较好地反应遍布节理在其影响区域内岩体的应力分布规律和变形特征,能较好地模拟片状分布的小的节理弱面对洞室围岩的影响,具体表现在:遍布节理弱面对地下洞室群围岩稳定性的影响主要集中在跟节理弱面走向和倾向相关的区域,致使此区域位移、应力增加,并导致在洞室交接处发生应力集中。

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冷先伦(1980-),男,博士,助理研究员。

主要从事数值岩石力学与工程和遂洞围岩稳定性研究。

盛谦(1962-),男,博士,研究员。

主要从事边坡工程、地下工程等研究。

朱泽奇(1980-),男,博士,助理研究员。

主要从事边坡工程研究。

张勇慧(1969-),男,博士,副研究员。

主要从事数值方法研究。