(桓仁縣水務移民服務中心，遼寧 桓仁 117200)

隨著技術的發(fā)展和進步，我國水利工程建設必將面對更為復雜的地質環(huán)境。較大規(guī)模的水電工程建設必然會需要開挖大量地下洞室，由于這些地下洞室的穩(wěn)定性對工程本身的安全性、可行性具有重要影響，對其進行穩(wěn)定性評價就成為水電工程建設的重要課題[1]。雖然水電工程的地下洞室建設會避開大規(guī)模斷裂地層，但是小斷層和節(jié)理發(fā)育往往不可避免，并可能對洞室的穩(wěn)定性造成影響[2]。顯然，在類似的地質條件下，地下洞室的尺寸不同，其潛在的變形與破壞方式也有所不同，因此，也應該選擇不同的開挖和支護方式[3]。因此，展開對地下洞室自穩(wěn)性的尺寸效應研究具有重要理論意義和工程價值。

1 研究樣本的選擇

1.1 研究洞段

為了研究洞室尺寸在自穩(wěn)性方面的效應，需要選擇不同尺寸的樣本洞段進行模擬，并且這些洞段應該具有相似的工程地質條件[4]?；谏鲜隹紤]，本次研究以遼寧省勝利水電站的地下洞室為研究對象，從高程、地應力、巖性以及洞室的寬高比例等方面進行綜合考慮，最終選擇發(fā)電廠房、安全洞、通風洞和排水廊道LD1-1與LD1-2三種不同尺寸的洞室展開研究(洞室樣本的條件見表1)。由表1中的數據可以看出，所有樣本的洞室寬高比均接近1∶1，且三種不同尺寸的洞室處于同一區(qū)域，具有相似的地應力條件，高程也基本相同，基本滿足本次對比研究的要求。

表1 各洞室樣本的條件比較

1.2 巖體結構特征

本次研究中的小尺寸洞段為排水廊道LD1-1和LD1-2，總長度分別為76.45m和65.43m，圍巖以Ⅱ類和Ⅲ類為主，巖體結構主要表現為塊—次塊狀；中尺寸洞段為安全洞和通風洞，總長分別為38.50m和51.50m，圍巖以Ⅱ類為主，部分部位為Ⅲ類，巖體結構主要表現為塊—次塊狀；大尺寸洞段為發(fā)電廠房，圍巖以Ⅱ類為主，部分部位為Ⅲ類，巖體結構主要表現為塊—次塊狀(圍巖結構與類別見表2)。由此可見，中尺寸洞室的圍巖最好，小尺寸洞室次之，大尺寸洞室的圍巖最差。究其原因，主要是排水廊道存在較多同向節(jié)理發(fā)育，造成圍巖類別整體偏低。

表2 圍巖結構與類別統(tǒng)計

1.3 樣本洞段變形破壞特征

對樣本洞段進行實地考察，結果顯示不同尺寸的洞段在變形破壞方面具有不同特征。其中，小尺寸洞室基本不存在結構控制型變形破壞，主要表現為應力控制型變形破壞，部分表現為應力—結構控制型變形破壞，如片幫現象和緩傾角剝落；中尺度樣本洞段的圍巖情況最好，變形破壞主要表現為結構控制型和應力—結構控制型變形破壞，例如張裂塌落、滑落掉塊等；大尺寸洞室的變形破壞模式最為全面，但是以結構控制型變形破壞為主，部分表現為應力—結構型，應力控制型破壞較為少見。

2 模型的構建

2.1 構建依據和思路

對勝利水電站地下洞室群不同尺寸樣本洞段的巖體結構與變形特征進行的分析顯示，地下洞室的巖體結構與變形特征與洞室尺寸有關，存在一定的尺寸效應?？傮w來看，洞室尺寸較大時，圍巖的巖體結構主要表現為塊狀和次塊狀，局部存在鑲嵌結構，變形以結構控制型為主；洞室尺寸較小時，圍巖的巖體結構主要以塊狀為主，不存在鑲嵌結構，變形主要以應力控制型為主。本次研究擬通過應力、變形、塑性區(qū)以及自穩(wěn)性等視角對上述尺寸效應進行深入探究[5]。鑒于上述方面的數據難以通過現場考察獲取，因此擬利用FLAC3D有限差分軟件進行數值模擬分析，最后利用Tecplot軟件對計算結果進行處理分析[6]。

2.2 模型的構建

由于樣本洞段包括三個不同的尺寸，因此，模型試驗建立5個洞室斷面FLAC3D有限元模型，編號分別為A、B、C、D、E。其中，A、B、E三個斷面分別對應樣本中的小尺寸、中尺寸和大尺寸斷面，C、D兩個斷面為增加斷面，洞室的拱頂為圓弧形。根據相關研究結論，模型的尺寸為斷面尺寸的5～8倍最為合理，本次研究中按照6倍取整，最終獲得模型斷面尺寸(見表3)[7]。

表3 模型斷面尺寸設計

2.3 參數與邊界條件

由于樣本洞段的圍巖以Ⅱ類圍巖為主，根據相關研究資料[8]和實驗室實驗結果，對計算模型的參數進行概化(見表4)。模型邊界采取底部固定約束，在初始應力生成階段，在三個方向均進行位移約束，在計算階段X、Y方向分別約束法向線位移，模型頂面無約束。

表4 圍巖物理力學參數

3 模型計算結果與分析

3.1 洞室變形特征對比分析

利用構建的FLAC3D模型對不同尺寸洞室的彈性位移進行模擬計算。由計算結果可知，斷面A和斷面B，也就是洞室尺寸較小時，洞室受到自重應力的影響較小，位移變形主要受構造應力場影響，位移變形主要集中于下游側的右邊墻和拱肩，變形量與洞室尺寸間基本為線性關系；在洞室尺寸為15m，也就是斷面C條件下，自重影響范圍明顯增大，洞室位移變形主要分布于右邊墻和拱頂，變形量與洞室尺寸間已經不能通過線性關系描述；在洞室尺寸較大時，自重應力成為洞室位移變形的主要因素，主要變形出現在拱頂和右拱肩，變形量與洞室尺寸表現為非線性關系。利用計算結果對洞室總位移量和洞室尺寸進行回歸分析(見圖1)。由圖1可知，位移量與洞室尺寸關系可以用二次函數近似表達。

圖1 位移量與洞室尺寸回歸分析

3.2 洞室塑性區(qū)特征對比分析

針對勝利水電站地下洞室群的實際地質條件，利用構建的模型對不同尺寸條件下的洞室塑性區(qū)進行數值模擬研究。根據獲得的各個模擬斷面的塑性區(qū)計算結果，當洞室尺寸較小時，邊墻和底部的塑性區(qū)深度最大，拱頂次之，隨著洞室尺寸的逐漸增大，塑性區(qū)深度上的差異逐漸變小，相對而言，邊墻的底腳與頂腳位置的塑性區(qū)深度略小，當洞室尺寸較大時，各部位的塑性區(qū)深度基本趨于一致，不存在明顯的差異。利用計算成果，對塑性區(qū)深度和洞室半徑進行回歸分析(見圖2)。由圖2可知，塑性區(qū)深度與洞室尺寸關系可以用二次函數近似表達，說明在復雜的地應力環(huán)境下，塑性區(qū)深度和洞室尺寸之間并不是簡單的線性關系，在洞室尺寸較小時，塑性區(qū)深度隨洞室尺寸的增加變幅較小，當洞室尺寸較大時，塑性區(qū)深度增加比較迅速。

圖2 塑性區(qū)深度和洞室半徑回歸分析

3.3 洞室自穩(wěn)定性對比分析

對地下洞室開挖后的位移變形以及塑性區(qū)深度的研究結果顯示，兩者存在明顯的洞室尺寸效應，并且近似表現為二次函數關系，這說明洞室尺寸增大，其自穩(wěn)定性會大幅降低，產生變形破壞的可能性顯著增大。

圖3 Ⅰ型圍巖節(jié)理組合

以上分析均將洞室圍巖視為均勻連續(xù)介質，在洞室圍巖中存在不連續(xù)結構面的情況下，洞室的變形破壞亦存在尺寸效應。具體而言，尺寸較小的洞室圍巖可以視為整體狀態(tài)結構(見圖3)，圍巖的變形機制主要表現為彈性與塑性變形，變形量較小，可以忽略不計；當洞室尺寸增大后，洞室圍巖的結構面表現為“層”狀(見圖4)，其變形主要呈現為彎曲變形，同時輔以結構面的張合變形。此外，若考慮應力因素，圍巖的片幫變形亦包含在內，而圍巖材料變形的占比不斷縮??；當洞室尺寸進一步增大時，圍巖被節(jié)理切割為較小的塊體(見圖5)，變形主要呈現為滑動和滾動變形，輔以結構面的張合，圍巖材料變形的占比進一步縮??；當洞室尺寸進一步增大時，圍巖被節(jié)理分割成的塊體相對于洞室而言體積更小(見圖6)，變形主要表現為碎塊的滑動、滾動和塌落，塑性變形占比進一步減小，可以忽略不計?？傊词业臄嗝娉叽鐣鷰r的結構類型造成顯著影響，進而影響到圍巖的變形機制和變形量。

圖4 Ⅱ型圍巖節(jié)理組合

圖5 Ⅲ型圍巖節(jié)理組合

圖6 Ⅳ型圍巖節(jié)理組合

4 結 論

大型水電工程往往需要建設諸多地下洞室，從而形成地下洞室群。工程實踐顯示，這些洞徑不同的地下洞室雖然具有類似的地質環(huán)境和圍巖性質，但是洞室破壞往往存在顯著不同的特征，因此，認為洞室變形破壞存在尺寸效應。

本文以遼寧省勝利水電站的地下洞室群為例，選擇不同尺寸的洞室斷面，利用FLAC3D軟件對洞室變形的尺寸效應展開研究，并獲得如下結論：樣本洞段的圍巖以Ⅱ類和Ⅲ類為主，巖體結構主要表現為塊—次塊狀，中尺寸洞室的圍巖最好，小尺寸洞室次之，大尺寸洞室的圍巖最差；樣本洞段變形破壞主要包括結構控制型、應力控制型以及應力—結構控制型三種主要型式。其中，結構控制型變形破壞最多，應力—結構型次之，應力控制型破壞比較少見；模型模擬計算結果顯示，洞室變形位移、塑性區(qū)深度與洞室尺寸之間并不是線性關系，可以用二次函數關系近似表達，說明洞室尺寸增大，其自穩(wěn)定性會大幅降低，產生變形破壞的可能性顯著增大。