库区蓄水—地震耦合作用对岸坡及邻近隧道的影响探讨

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论文字数:62566 论文编号:sb2021102018504738946 日期:2021-11-07 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,本文以云南省某库区岸坡及临近隧道为工程背景,结合流固耦合、地震响应计算理论和数值分析方法,开展库区蓄水对岸坡及邻近隧道的影响规律、库水—地震耦合作用下岸坡及隧道动力响应特性和近接影响分区的研究。

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义
近年来,随着西部大开发战略的持续推进和交通强国战略的实施,我国西部山区铁路、公路等交通建设得到飞速发展,隧道工程建设规模与数量不断攀升[1]。云南地处云贵高原,在交通建设中隧道占比大,而且,云南地区地壳运动较为活跃,地震频发,区域内 90%以上面积处于高烈度地震区。与此同时,云南水资源发达[2],近些年,启动了以滇中引水工程、白鹤滩水电站工程等典型的一系列水利工程建设。因此,一些隧道工程建设不可避免地面临复杂的地形地质及周边环境,出现了高烈度地震区临近库区隧道工程。
一方面,由于水电站库区蓄水,库区水位发生变化,岸坡在渗流作用下,坡内孔隙水压力增大,导致应力场发生改变。且经库水长期浸泡,岩土体物理化学性能发生变化,强度逐渐弱化[3],从而导致边坡稳定性降低,常常因此诱发滑坡、塌岸等地质灾害。因库区蓄水而诱发边坡产生滑坡灾害的事故较为常见[4-15]。如意大利瓦依昂水库在 1963 年由于上游连降大雨,引起两岸地下水位升高,并使库区水位雍高,导致库区产生了一个巨型滑坡,滑坡以极快的速度下滑进入水库,引起超过坝顶 250m 左右的涌浪,大约有 3000 万立方的库水倾斜而下,顷刻间将附近村庄民居淹没,造成 1925 人死亡。如波兰中部城市弗沃茨瓦韦克的一座古老滑坡,在该滑坡附近新建了一个水库,由于水库的影响导致古滑坡的活动变得较为频繁,并且在邻近水库的其它岸坡位置处还产生了新的滑坡。古滑坡速率从最初的 2.6m/年增大为现在的 3.6m/年,目前滑坡覆盖面积达到两万多平方,改变了当地的水文条件和地质地貌,滑坡体的不断发展也为当地带来了巨大的安全隐患。在国内,三峡水电站是我国一项世纪工程,但自三峡工程运行以来,邻近的库岸边坡多次出现滑坡,例如 2003年发生的千将坪滑坡,不仅给经济带来巨大损失,还造成了人员的伤亡。滑坡的发生往往还伴随着次生灾害,堰塞湖就是典型的由滑坡引起的次生灾害,例如 2008 年汶川地震形成的唐家山堰塞湖,堰塞湖的形成对下游老百姓的生命安全形成了潜在的威胁。还有位于四川省的锦屏一级水电站岸坡,甘肃省金昌市的金川露天矿边坡和昌马水库边坡以及位于云南省的小湾水电站饮水沟岸坡等。由于库区蓄水的影响这些边坡的坡体都发生了倾倒变形。另一方面,库区蓄水还将会对邻近隧道工程运营安全产生不利影响,蓄水时,由于水位升高,使得围岩含水量增大,岩土体有效应力发生改变,加之岸坡滑坡、塌岸等因素,导致围岩应力重分布及稳定性的降低;此外,围岩在库水长期浸泡下,还可能出现软化、强度降低等现象,致使围岩稳定性降低,进而危及邻近隧道结构的安全性。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 库区蓄水对岸坡及隧道的影响研究现状
目前,针对库区蓄水对岸坡的影响规律的研究成果较多,但针对库区蓄水对邻近隧道的影响规律的研究还不多见。分析方法主要都是借助有限分析软件进行数值模拟,通过对比蓄水前、后岸坡安全系数、变形、隧道结构内力及安全系数变化情况来判断蓄水对岸坡及隧道的影响规律。
宋丹青(2015)[18]以甘肃九甸峡水库燕子坪滑坡为例,借助 GPS 技术对滑坡位移进行监测分析,研究库区蓄水对岸坡稳定性的影响。结果表明:库水位在 70~100m 时,对库坡稳定性将产生不利的影响,低蓄水位时,对边坡产生的影响较小。库区蓄水将会导致原有滑坡的复活、产生新滑坡以及库岸坍塌再造。
李宏杰等(2005)[19]借助有限差分软件 FLAC3D 对某库岸滑坡进行三维稳定性数值模拟,得出在正常库水位时岸坡整体处于稳定,但是在坡度较陡的局部位置发生了失稳破坏,例如滑体前缘的位置以及水位线以下的区域。
朱继良等(2005)[20]利用 FLAC3D 有限差分软件对邻近库区的滑坡体进行了数值模拟分析。通过分析得出以下结论:从变形值来看,蓄水位较低时对岸坡的影响较小,岸坡的稳定性能够得到保证。当库水位持续上涨时,坡体的位移逐渐增大,当蓄水高度达到最高位置时,岸坡出现了较大的变形值,且在局部位置产生了破坏,岸坡已经失稳。
卢永兴等(2013)[21]以向家坝水电站临近的观音坪滑为例,采用有限元方法对滑坡的稳定性进行分析。研究结果表明:施工过程中将会对滑坡产生不利影响,但由于库区蓄水的作用将会对滑坡的稳定性产生更加不利的影响。库水位在 354m 时,岸坡处于失稳的临界状态。当蓄水高度持续上涨,岸坡将会产生失稳破坏。在对岸坡采取削坡减载的措施后,岸坡的安全储备又满足稳定性的要求。
陈磊(2016)[22]以库区岸坡为例,采用有限分析软件,结合流固耦合理论,开展库区蓄水对岸坡稳定性的影响研究。分析了水库在蓄水前以及蓄水后岸坡稳定性发生的变化规律。还进行了库区蓄水对岸坡产生的破坏形式的研究。通过对比分析蓄水前后岸坡稳定性,综合得出水库蓄水对库岸边坡稳定性的影响,并且对岸坡稳定性和破坏方式进行了分区。
Rajabian 等(2012)[23]采用离心技术对受渗流作用的边坡开展稳定性研究。通过监测坡体的沉降以及孔隙水压力的变化情况。并且还利用了摄像技术,将边坡的位移在试验过程变化情况记载下来,最终得出锚固条件优化后,坡体变形明显减小且稳定性逐渐增强的结论。
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第二章 依托工程简况

2.1 依托隧道工程概况
拟建隧道位于云南省曲靖市娜姑镇,为双向四车道分离式隧道,设计速度为 80km/h。隧道左线起讫桩号 ZK4+760.00~ZK8+245.00,总长 3458m,右线起讫桩号 K4+720.00~K8+256.00,总长 3536m。隧道进口段为Ⅵ级围岩,上覆地层主要为崩坡积碎石土,下伏强-中风化砂岩、页岩,岩石风化强烈,节理裂隙发育,岩体完整性较差;洞口开挖后,隧道进洞约 28m 均为土质隧道。ZK4+760-ZK4+936、K4+720-K4+929 区段围岩等级为Ⅴ级,岩体节理裂隙发育,岩体受节理裂隙切割较破碎,围岩自稳能力差。其中性质较好的区段围岩等级为Ⅳ级,岩体的节理裂隙发育状态较好,岩体基本皆保持较好的完整性。
隧道左、右线设计线间距 20.75m≤L<27m,其中初期支护采用厚度为 27cm 的 C25 喷射混凝土,衬砌结构采用厚度为 50cm 的 C30 钢筋混凝土。隧道断面采用三心圆拱形状,开挖高度为 10.09m、宽度为 12.54m,衬砌断面如图 2.1 所示。
图 2.1 衬砌结构断面图(cm)
图 2.1 衬砌结构断面图(cm)
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2.2 工程地质条件
2.2.1 地形地貌
格巧高速公路沿线发育主要河流为小江、金沙江。公路沿线小江流向为 NNW 向,河谷较为开阔,谷底平坦,河面高程 735~800m。断面呈宽缓“U”型,右岸山坡地形较陡、坡度 30~40°;左岸约 900m 高程以下岸坡较缓,坡度约 10~25°,局部约 30°,900m 高程以上岸坡较陡,坡度约 25~35°。公路沿线金沙江流向进 SN 向,工程区范围内金沙江河谷断面多呈“U”型,临江山峰高程多在 1157~2595m 之间,相对高度大于 500m,地形坡度 20°~40°公路起始段大田坝处位于河道左岸,地势总体西高东低,较为平缓,沿线至钻天坡,可见漫滩分布于沟道急弯处,小江支流段河道较窄,回水湾处侧蚀坡岸,冲沟发育。钻天坡至下游公路沿线,山体逐渐变陡。南北向地形高低起伏变化,东西向以“陡-缓-陡”型岸坡为主,中高山地貌大面积发育,可见多处洪积台地,如蒙姑、青冈坝等。东西向多表现为冲洪积漫滩,陡峻坡,缓坡台地,山体斜坡的地貌布局。格巧高速公路沿线不同高程有河流阶地和河漫滩分布,为河谷地貌的主要类型。
2.2.2 地层岩性
岸坡整体坡度为 25~30°,岸坡主要为崩、坡积碎块石土,表层结构松散,受冲刷侵蚀严重,基岩为强风化砂质泥岩。崩、坡积(Qcol+dl):主要由碎块石夹亚粘土或亚粘土夹碎石组成,表层松散,中下部呈中~密实。碎石呈灰褐色,稍湿,松散~稍密状,碎石含量 55%~65%,角砾含量 15%,其他 15%,土石比约 2:8,石质成分主要为白云岩 、白云质灰岩、砂岩等。粒径一般 3cm-15cm,最大达 25cm。奥陶系中统巧家组(O1h):分布于第四系崩、坡积碎石土下部,钻孔揭示地层为泥岩、泥质粉砂岩,强风化状。岩石大部分变色,呈深褐色,只有局部岩块断口尚保持新鲜岩石特点,岩石的组成结构大部分已破坏,长石类矿物呈高岭土化,小部分岩石已分解或崩解成土,大部分岩石呈不连续的骨架或心石,风化裂隙发育,岩石中的杏仁体、斑晶全脱落,形成凹坑。锤击哑声,岩石大部分变酥,易碎。
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第三章 库区蓄水对岸坡及邻近隧道稳定性的影响分析.....................13
3.1 计算理论................................................. 13
3.1.1 流固耦合计算理论...................................13
3.1.2 强度折减法计算理论..........................................14
第四章 库区蓄水—地震耦合作用下岸坡及邻近隧道动力响应分析........................39
4.1 地震响应计算理论.........................................39
4.1.1 动力方程...........................................39
4.1.2 阻尼................................................ 39
第五章 影响分区研究.....................95
5.1 计算模型的建立.............................................95
5.2 结果分析........................................ 96

第五章 影响分区研究

5.1 计算模型的建立
进行影响分区研究时,采用概化计算模型,模型左侧取 100m、右侧取 210m,底部取500m;岩土体采用Ⅴ级围岩参数,衬砌结构的物理力学参数取值与上文中保持一致;地震波选用 Kobe 波,地震动强度取 0.20g;蓄水高度取 60m;流固耦合和动力计算模型的边界设置与前文中一致,数值分析的模型示意图如图 5.1 所示。
图 5.1 模型示意图
图 5.1 模型示意图
根据隧道距岸坡边缘的水平距离和埋深设置了 20 种不同库水与隧道间相对位置关系,隧道分布示意如图 5.2 所示。选取 45m、90m、135m、180m、225m 等五种不同隧道距岸坡边缘水平距离,以及 25m、45m、65m、85m 四种不同隧道埋深,具体的计算工况见表 5.1。
表 5.1 计算工况
表 5.1 计算工况
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第六章 结论与展望

6.1 结论
本文以云南省某库区岸坡及临近隧道为工程背景,结合流固耦合、地震响应计算理论和数值分析方法,开展库区蓄水对岸坡及邻近隧道的影响规律、库水—地震耦合作用下岸坡及隧道动力响应特性和近接影响分区的研究。主要研究成果及结论如下:
(1)选取依托工程典型计算剖面,基于流固耦合理论,建立了邻近库区隧道渗流及稳定性计算模型。开展了不同蓄水高度、岩体条件及防护措施对岸坡及隧道稳定性的影响规律研究。结果表明:
a)在无防护措施情况下,随着库水位的升高,边坡安全系数呈两阶段下降规律。具体表现为:在蓄水位高度小于 45m 时,安全系数呈缓慢下降,而当大于 45m 时,安全系数出现骤降。当蓄水高度达到 60m 时,安全系数已小于 1.0,边坡局部区域已失稳破坏。可见,库区蓄水对边坡稳定性产生不利影响,水位越高,影响越大。因此,在高水位条件下,需对岸坡采取防护措施,以确保边坡安全。随着蓄水位的上升,隧道结构典型部位轴力有所增大、弯矩除拱腰和墙脚部位外有所增大外,其余部位呈减小的变化规律。结构各典型部位安全系数呈不同程度的减小。其中,隧道拱顶、仰拱和墙脚部位的安全系数降幅较为明显,最大降幅在 17.6%~26.1%。这说明库区蓄水对临近隧道结构的安全性产生了一定的不利影响。总体而言,在不同蓄水高度下,隧道结构仍有较高的安全储备。
b)当蓄水高度相同时,围岩越差,岸坡安全系数越小,即越不利于岸坡稳定边坡,衬砌各典型部位的安全系数也越小。库水位越高,围岩质量越差,岸坡安全系数降低幅度越大,这说明高水位时,围岩条件对岸坡稳定性的影响增加。围岩级别越低,衬砌各典型位置处的安全系数越小,结构稳定性也越差。
c)采用锚索框架梁进行岸坡防护后,边坡安全系数增幅较大,坡体稳定性得到明显增强,防护效果显著。以蓄水高度 60m 为例,相比无防护措施条件,边坡安全系数提高了约89.2%。有、无施作锚索框架梁加固,隧道结构安全系数的变化最大约 6.5%,护坡措施对隧道结构的影响小。
参考文献(略)