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        水庫(kù)蓄水對(duì)既有隧道影響的穩(wěn)定性分析

        2010-04-17 10:56:44杜鵬周瑩吳欣
        山西建筑 2010年19期
        關(guān)鍵詞:馬蹄蓄水內(nèi)力

        杜鵬 周瑩 吳欣

        隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,能源需求量也在快速增加,能源資源短缺的局面已相當(dāng)嚴(yán)峻,可以說(shuō)在很大程度上阻礙著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。大型水庫(kù)的建成發(fā)電對(duì)緩解能源緊張的局面具有重要意義。其中一些水庫(kù)修建在鐵路穿越山區(qū),水庫(kù)的修建對(duì)這些鐵路線路上的結(jié)構(gòu)必將產(chǎn)生一定的影響,本文將以云南境內(nèi)的沙沙坡水庫(kù)的修建對(duì)內(nèi)昆線馬蹄石隧道的影響為例,通過(guò)數(shù)值方法,分析水庫(kù)對(duì)傍山鐵路隧道的影響。

        1 項(xiàng)目背景

        橫江中游沙沙坡水庫(kù)為一級(jí)梯級(jí)水庫(kù),馬蹄石隧道位于內(nèi)昆線DK248+460處,地理位置系云南省大關(guān)縣與鹽津縣交界處,該隧道地處中低山峽谷區(qū),地形陡峭,出口斜交水昭公路下方進(jìn)洞,出口于水昭公路左側(cè)岸坡上出洞,起訖里程DK246+972~DK249+948段,全長(zhǎng)2 976 m。該隧道正好位于庫(kù)區(qū)范圍內(nèi),水庫(kù)蓄水后,最高水位線距離馬蹄石隧道出口段路面高的高差僅有6.59 m。隧道建設(shè)完成的沙沙坡水庫(kù)將使金沙江右岸一級(jí)支流橫江中游峽谷段水位抬高近12 m,在隧道的原始狀態(tài)下,考慮水庫(kù)蓄水對(duì)其造成的影響,從可能產(chǎn)生的兩個(gè)方面的問(wèn)題進(jìn)行分析。

        1)工況一,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及地質(zhì)資料,隧道岸坡側(cè)5 m范圍內(nèi)圍巖風(fēng)化嚴(yán)重,水庫(kù)蓄水后這些已風(fēng)化的圍巖將很快被軟化,計(jì)算時(shí),將水庫(kù)蓄水后受水影響范圍內(nèi)的圍巖級(jí)別由原來(lái)的Ⅴ級(jí)降低至Ⅵ級(jí)。2)工況二,隧道岸坡側(cè)有一松散堆積土層。當(dāng)水庫(kù)蓄水后,堆積土層在水流的長(zhǎng)時(shí)間沖刷作用下會(huì)不斷流失,有出現(xiàn)塌岸的可能,塌岸后隧道周邊圍巖的應(yīng)力場(chǎng)將會(huì)重新分布。

        2 蓄水后隧道穩(wěn)定性分析

        本次計(jì)算用MIDAS/GTS進(jìn)行二維數(shù)值模擬分析。計(jì)算范圍內(nèi)的巖體采用二維平面單元模擬;隧道襯砌采用梁?jiǎn)卧M。為了確保二維模型有足夠計(jì)算精度,本次計(jì)算對(duì)計(jì)算范圍進(jìn)行了一定的限制。建模選取范圍為:模型寬77 m,高70 m??可絺?cè)取5倍洞跨,靠水庫(kù)側(cè)取至坡形地面。同時(shí)考慮到明洞上方有高速公路橋梁跨越,其支座位于明洞頂部,在計(jì)算過(guò)程中考慮橋梁對(duì)隧道的加載作用。計(jì)算采用使用“激活、鈍化和屬性修改”單元的方法實(shí)現(xiàn)隧道的開(kāi)挖和支護(hù)、圍巖軟化以及塌岸的模擬,巖體材料的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[2-4]。其模型見(jiàn)圖1。

        表1 馬蹄石隧道各種狀態(tài)下的豎向位移 mm

        根據(jù)上面所述的計(jì)算過(guò)程,分別計(jì)算三種狀態(tài),這三種計(jì)算狀態(tài)下的位移結(jié)果見(jiàn)表1。

        1)狀態(tài)一,水庫(kù)蓄水前隧道原始狀態(tài)下的位移。2)狀態(tài)二,在水庫(kù)蓄水后,岸坡巖石發(fā)生軟化情況下隧道的位移。3)狀態(tài)三,在水庫(kù)蓄水后,岸坡發(fā)生塌岸情況下隧道的位移。

        根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,對(duì)三種狀態(tài)下的隧道豎向位移進(jìn)行對(duì)比。

        從表1計(jì)算結(jié)果中可以看出,隧道在開(kāi)挖的原始狀態(tài)下各個(gè)部分的位移均較小。在狀態(tài)二的情況下,即部分岸坡巖體發(fā)生軟化,隧道各個(gè)部位的豎向位移均有所增加,但位移增量較小。而當(dāng)岸坡發(fā)生塌岸時(shí),隧道各個(gè)部位的位移均有較大程度上的增大,拱頂位移增幅尤為明顯。由此看出,岸坡發(fā)生塌岸遠(yuǎn)比發(fā)生軟化對(duì)隧道產(chǎn)生的影響大。

        上述計(jì)算是基于地層結(jié)構(gòu)法對(duì)馬蹄石隧道變形進(jìn)行了分析,下面將針對(duì)隧道的二次襯砌的內(nèi)力進(jìn)行研究,本次內(nèi)力計(jì)算選取DK249+948明洞段作為驗(yàn)算截面,計(jì)算時(shí)考慮高速公路橋梁支座對(duì)隧道的加載作用。馬蹄石隧道襯砌內(nèi)力計(jì)算主要分析隧道在蓄水前,以及蓄水后可能發(fā)生巖體軟化和岸坡塌岸的結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況(見(jiàn)圖2~圖7)。

        表2 馬蹄石隧道各種狀態(tài)下的襯砌內(nèi)力

        通過(guò)表2可以看出,在蓄水前隧道的原始狀態(tài)下,二次襯砌的各個(gè)部位的安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。蓄水后,當(dāng)岸坡的巖體發(fā)生軟化時(shí),隧道各個(gè)部位的安全系數(shù)均有所降低,但降幅不大,同樣能夠保證隧道的安全運(yùn)營(yíng)。如果岸坡發(fā)生塌岸時(shí),隧道二次襯砌的安全系數(shù)會(huì)有大幅降低,而墻腰位置的安全系數(shù)則不滿足規(guī)范要求。由此可以得出,岸坡發(fā)生塌岸遠(yuǎn)比發(fā)生軟化對(duì)隧道產(chǎn)生的影響大,這與前面的地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算結(jié)果相符。

        3 結(jié)語(yǔ)

        由上述分析結(jié)果可以得出,由于馬蹄石隧道出口段的特殊地質(zhì)條件,在沙沙坡水庫(kù)反復(fù)的蓄水、放水的情況下,會(huì)造成岸坡長(zhǎng)時(shí)間被沖刷,更嚴(yán)重的導(dǎo)致岸坡塌岸,這樣對(duì)隧道的出口段二次襯砌產(chǎn)生顯著的影響。為此,建議采取加固岸坡的措施,可在岸坡處修建抗滑樁,或者修建漿砌片石護(hù)岸。

        [1] 趙東平.水庫(kù)蓄水后對(duì)既有傍山鐵路隧道運(yùn)營(yíng)安全的影響研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2005,42(6):30-35.

        [2] 柳群義.水位漲落對(duì)庫(kù)岸滑坡孔隙水壓影響的非飽和滲流分析[J].巖土力學(xué),2008(11):85-89.

        [3] 王志旺.水庫(kù)庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性研究[J].巖土力學(xué),2005,25(11):1837-1840.

        [4] 羅紅明.庫(kù)水位漲落對(duì)庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性的影響[J].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,33(5):687-692.

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