杜 森

（寬城建龍礦業(yè)有限公司，河北 承德 067000）

1 概述

某水庫庫容5400 萬m3，壩高80m。水庫東邊界以西72m 下進(jìn)行了平硐巷道開挖工程。由于平硐硐身巖系含水空間較發(fā)育，裂隙貫通性能一般，巖體為弱富水性。平硐掘進(jìn)后，巖體裂隙發(fā)育程度加劇，平硐上方地表河流對(duì)平硐地下水間接補(bǔ)給，平硐硐身充水量將隨之增加。如果平硐開挖后，巖體裂隙過分發(fā)育，造成水庫內(nèi)水體對(duì)地下水間接補(bǔ)給量增大，則既影響平硐本身的穩(wěn)定性，也會(huì)對(duì)水庫安全造成不利的影響。因此，急需對(duì)水庫邊界下方平硐區(qū)域的穩(wěn)定性開展研究。

目前，數(shù)值模擬方法廣泛的應(yīng)用于平硐開挖、邊坡穩(wěn)定性分析等領(lǐng)域[1-4]，其方法的準(zhǔn)確性與可靠性得到了十分廣泛的驗(yàn)證。劉建兵對(duì)平硐開挖引起的邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了數(shù)值模擬分析[5-7]。張?jiān)迄i應(yīng)用Ansys 對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析[8，9]。均取得了較為理想的研究結(jié)果。在借鑒前人工作的基礎(chǔ)上[7，10，11]，采用 Ansys 數(shù)值模擬軟件，對(duì)水庫邊界下方平硐區(qū)域的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2 分析區(qū)域地質(zhì)概況

分析區(qū)域位于天山北麓中低山區(qū)，山脈呈東西向延伸，總地勢南高北低，具有由南向北呈階梯狀遞降的特點(diǎn)。庫壩區(qū)附近海拔1554-1637m，相對(duì)高差120-160m，塔西河橫穿山體流入準(zhǔn)噶爾盆地。水庫庫壩區(qū)以峽谷地貌為主，河流總體流向近SN 向，與巖層走向近垂直。庫區(qū)河谷呈“U”型，谷底寬 350-900m，谷坡 45-65°，地形較為寬闊，構(gòu)成較好庫盤，庫區(qū)兩岸山勢較高，山體雄厚，基巖裸露，沿河兩岸有階地分布。

表1 力學(xué)參數(shù)

進(jìn)入壩區(qū)后，地形驟陡，形成高達(dá)90-120m 的峽谷地形，俗稱“石門”，河谷呈“U”型，構(gòu)成良好的壩址地形。在壩前，近東西向分布的山體高聳，奇峰林立，形成山勢雄偉的地貌景觀。壩址下游，河谷開闊，為寬谷地貌，沿河有河漫灘及I-Ⅳ級(jí)階地分布，尤以Ⅳ級(jí)階地分布最廣泛。

巖性以粉、細(xì)砂巖為主，灰色-灰黑色，細(xì)膩、砂質(zhì)膠結(jié)，半堅(jiān)硬；夾薄層粗砂巖及砂礫巖。少見裂隙，未發(fā)現(xiàn)斷裂、破碎帶等不良地質(zhì)體。巖體較為完整，風(fēng)化不強(qiáng)烈，巖石強(qiáng)度較高。

分析區(qū)域水文地質(zhì)條件較簡單，地下水類型為現(xiàn)代河床及河漫灘砂礫卵石層中的孔隙潛水和大氣降水補(bǔ)給的少量裂隙水。根據(jù)鉆孔揭露數(shù)據(jù)，河床卵礫石層地下水豐富，透水性較大，地下水位埋深0.5-2m，一般為河水補(bǔ)給地下水。裂隙水一般水量很小，分布高程均高于河水位，即壩區(qū)基巖裂隙水補(bǔ)給河水。裂隙類充水礦床地下水分布極不均勻，上述結(jié)果多取自澇壩灣煤礦副井平硐枯水時(shí)節(jié)，豐水時(shí)節(jié)礦井涌水量將有所增大。同時(shí)，以上涌水量預(yù)算結(jié)果，不含井巷突水，老窯、澇壩灣煤礦南部火燒區(qū)積水潰入，地表灌水等其它因素。

3 數(shù)值模擬分析

根據(jù)分析區(qū)域地質(zhì)概況，平硐上方巖層劃分如圖1所示。主要分為粉砂巖與細(xì)砂巖。兩種巖體的力學(xué)參數(shù)如表1 所示。根據(jù)巖層劃分，建立Ansys 數(shù)值模型，網(wǎng)格劃分如圖2 所示。分別賦予兩種巖體表1 中的力學(xué)參數(shù)，開展數(shù)值模擬分析。

得到豎直位移云圖與水平向位移云圖如圖3 和圖4所示。由圖可知，地表豎直方向沉降位移為0.5982cm，沉降位移十分微小。且上部沉降較為均勻，并未受到平硐開挖影響。而地表水平向位移沒有受到平硐開挖的影響，并未產(chǎn)生相應(yīng)變化。經(jīng)過進(jìn)一步計(jì)算，得到豎直應(yīng)力云圖和水平應(yīng)力云圖如圖5 和圖6 所示。由圖可知，平硐開挖并未引起淺層巖體豎直應(yīng)力發(fā)生突變。也未引起水平向應(yīng)力變化，這與位移云圖的計(jì)算結(jié)果相一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 平硐區(qū)域巖層劃分

圖2 網(wǎng)格劃分

圖3 豎向位移云圖

同時(shí)得到分析區(qū)域剪切應(yīng)力云圖如圖7 所示，由圖可知，平硐開挖只在其附近區(qū)域引起了剪切應(yīng)力變化，并未對(duì)地表造成影響。

圖4 水平向位移云圖

圖5 豎向應(yīng)力云圖

圖6 水平向應(yīng)力云圖

圖7 剪切應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

平硐開挖后，地表豎直位移沉降值為0.5982cm，沉降位移十分微小，且地表附近淺層巖體沉降均勻，同時(shí)，水平向位移也沒有發(fā)生突變，地表并未受到平硐開挖影響而引起大范圍位移沉降突變。同時(shí)，平硐開挖并未引起淺層巖體豎直應(yīng)力與水平向應(yīng)力發(fā)生突變。剪切應(yīng)力也只對(duì)平硐開挖區(qū)域有一定影響。這與位移沉降結(jié)果的變化趨勢相一致，兩者相互驗(yàn)證，進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。綜上所述，平硐開挖不會(huì)對(duì)上部水庫邊界造成不利影響。