贵州岩溶地区输水渡槽的基础选型分析

　　摘要：贵州一输水渡槽跨越岩溶区域，可能会产生岩溶塌陷、向临空面失稳等工程地质问题。本文在地质钻探、物探和现场调查的基础上，通过基于地质力学的地质轮廓法进行裂隙配套，判断节理裂隙性质及其对岩溶的影响，结合深浅埋洞穴的界定初步判断其稳定性，并采用基于规范、标准的半定量稳定性分析及含节理裂隙的二维有限元分析、三维有限差分分析，从位移、应力分布及塑性区发展及破坏模式角度来判断溶洞在上部荷载作用下的稳定性。研究表明：本工程溶洞顶板的受力同深梁的受荷模式，节理裂隙很大程度上影响顶板的稳定性，顶板容易沿节理裂隙和层面产生剪切、拉伸作用。最后结合长期安全稳定运行综合给出基础选型建议。

　　关键词：隐伏溶洞;地质轮廓法;深浅埋洞穴;数值分析;基础选型

　　地质方向论文投稿刊物：《中国岩溶》(季刊)1982年创刊，为我国目前为止唯一国内外公开出版发行的岩溶学术期刊;内容丰富，覆盖面广，可读性强，是地质、地理、农林、水利、建筑、环境保护等行业科技人员及高校师生不可多得的一本权威性参考读物。

　　0引言

　　同公路、铁路等线路工程一样，水利工程的输水线路也要穿越不同地貌单元。贵州省作为全国碳酸盐岩出露面积最广的省份，输水工程不可避免地通过地质条件和水文地质条件均十分复杂的岩溶区，特别是含隐伏溶洞的地基，就可能遭遇岩溶顶板塌陷[1]、基础沿临空的结构面滑移等问题。目前岩溶洞穴顶板稳定性评价方法有多种[2]，Jordá-Bordehore[3]采用岩体质量指标结合稳定图表法评价洞穴顶板稳定性;蒋冲[4]运用铁摩辛柯的弹性理论，导出岩溶区路基溶洞顶板岩层的应力计算公式;王桂林等[5-6]根据建筑岩石地基洞室的破坏模式分析，得出了圆形洞室地基平面弹性应力位移的解析解，并运用有限元数值分析技术，采用强度折减法、加载系数法对洞室地基模型进行了模拟对比分析;有限差分[7-8]、三维有限元[9]、离散元[10-11]等数值模拟方法是岩溶稳定分析的常用方法;石祥锋[12]运用数值模拟方法及现场多点位移计监测等综合分析岩溶顶板的稳定性;刘铁雄[13]基于相似理论，建立室内桩基物理模型;考虑隐伏岩溶条件下的上部结构-基础-地基共同作用并通过现场监测在一些重要工程中也得到应用[14-15]。

　　以上的研究较少考虑节理裂隙影响顶板岩体受力特性及破坏模式，而且渡槽在岩石上基础多为扩大基础，不同于桩基、筏基，故本文尝试基于地质力学和隧道力学，采用带节理单元的二维有限元和三维有限差分法，分析含隐伏溶洞的地基稳定性，并给出基础选型建议，以期给类似工程提供一定的参考借鉴和技术支撑。

　　1工程简介及工程地质条件

　　某渡槽初设阶段为一跨度为80m的拱式渡槽，设计流量5.7m³⋅s-1，施工图阶段线路调整，渡槽轴线横向平移25m，勘探表明拱座基础下部6m为一洞径约8.5m的溶洞，考虑到拱座水平力较大，结构形式对位移敏感，设计变更为排架式渡槽。渡槽横跨一溶蚀沟谷地形，渡槽轴向为N320E，地形坡度为20°~30°，边坡为斜向坡;两岸基岩基本裸露，沟谷底部和缓坡地带覆盖层零星分布，主要为残坡积粘土夹碎石，厚0~0.5m，下伏基岩为T1m1灰色中厚层灰岩，岩体强风化厚度为基岩面以下2.0m;该段渡槽未发现较大的构造通过，岩层产状为324°∠25°。

　　共有两组节理裂隙发育，第一组产状N30°~40°W/SW∠70°~80°，第二组产状N40°~60°E/SE∠40°-50°，两组节理裂隙面一般粗糙不平，无擦痕，表面裂隙多张开，裂隙间距约30~50cm，延伸长度一般1~2m，局部充填方解石脉及黏土。地下水类型主要为岩溶裂隙水，埋藏较深，沟谷部位渡槽基础位于地下水位以上。

　　1.1岩溶发育及其规律

　　岩溶发育与岩性、CaO/MgO含量、温度、气候、水动力、地质构造条件等息息相关。研究地区属于亚热带气候区，雨量较充沛，地下水和地表水的补、径、排对岩溶发育规模影响较大。岩溶个体尺寸差别较大，地表虽然未见岩溶塌陷、漏斗、洼地等负地形，经调查地下也未发现伏流和暗河，但溶沟溶槽发育，开挖渠道的周边常见溶蚀裂隙及溶孔，地表基岩基本裸露，植被以小灌木为主。通过钻探(共计14孔)，钻孔见洞隙率为35%，线岩溶率为9.3%，共发现4个尺寸较大的溶洞，溶洞高度从0.7~8.5m不等，钻进中所有孔均为不返水孔，溶洞的充填情况以软塑至可塑状的黏土全充填或局部充填，最大的溶洞发育深度约20m。根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)和《工程地质手册》[16]，场地地基特点突出表现为见洞率高，线岩溶率较高、溶腔大、呈串珠状、部分溶洞上下连通性好，为地下水与地表水之间流通提供了有利途径，形成强透水带。故判断场地的岩溶发育程度为强发育。

　　1.2节理裂隙配套

　　根据徐邦栋[17]基于地质力学发明的地质轮廓法，按单向受力(先期挤压力和后期松弛力)进行构造裂隙配套，进而判断节理裂隙产状及性质。根据图2和现场实测节理裂隙性质，表明剪切裂隙和松压裂隙不发育，最发育的为张拉、弯张或松张形成的两组节理裂隙。由于均为张性节理裂隙，地下水的补给、径流和排泄沿这两组结构面循环条件良好，岩溶容易发育。另外由于这两组结构面的倾角较陡，易形成以竖向岩溶发育为主、地表土充填的大小溶洞。这也是该区覆盖层较少，近似石漠化的原因之一。

　　2溶洞顶板稳定性评价

　　2.1定性分析

　　由于含有张性裂隙切割岩体，其后期胶结一般，岩层产状单斜产出且较陡;岩溶埋藏浅，洞径大，顶板厚度与洞跨比值小，溶洞内一般为未充填、半充填或水流冲蚀充填物，不能有效支撑溶洞;地下水为岩溶裂隙水型，受大气降雨补给，存在水流或间歇性水流。虽然厚层状灰岩强度较高，但顶部作用渡槽基础荷载后，需要评价溶洞顶板稳定性。

　　2.2二维有限元分析

　　对于深埋埋圆形洞室，基于平面应变的弹性解析可以由基尔西公式得出，对于浅埋洞室且上部有荷载的，也有采用复变函数法的求解公式。考虑到洞室形状的复杂，地表为斜坡，且为弹塑性的岩体材料，采用数值分析软件进行求解，假定模型为平面应变，考虑到溶洞在5#墩扩大基础按450应力扩散角以外，1#墩距离溶洞较远，故不考虑1#及5#的荷载作用。模型考虑2#、3#、4#的基底荷载，按标准组合时的压应力为200kPa，240kPa，280kPa，沿渡槽轴线长度170m，下边界与溶洞底板的距离大于5倍溶洞尺寸，左右边界约束水平位移，底部边界约束水平和竖向位移，上部边界自由，考虑重力荷载，层面和结构面考虑用节理裂隙网络来模拟[18]。

　　2.3三维有限差分分析[21-22]

　　2.3.1计算模型

　　边坡坐标系以与渡槽轴线平行且指向流水方向为x轴，铅垂方向向上为z轴，按右手法则确定y轴。计算模型沿x向边坡宽度为120m，沿y向边坡走向长度为127m，保证水平方向范围溶洞两侧的范围大于5倍溶洞洞径。z轴底部与溶洞底部的距离大于3倍溶洞洞径。共有485415个单元，214818个节点。计算模型除坡面设为自由边界外，模型底部设为固定约束边界，模型四周设为单向边界。在初始条件中，不考虑构造应力(现场沟谷切割，认为构造应力已得到释放)，仅考虑自重应力作用下的初始应力。

　　3结论

　　(1)基于地质力学的地质轮廓法进行构造裂隙配套，能很合理地解释节理裂隙性质，对其力学指标确定和岩溶发展规律有较好的指导意义;

　　(2)采用铁路隧道设计规范中的深浅埋隧道判定方法，对溶洞的自身稳定性判断有一定的借鉴作用;

　　(3)本工程溶洞顶板的受力同深梁的受荷模式，节理裂隙很大程度上影响顶板的稳定性，顶板容易沿节理裂隙和层面产生剪切、拉伸作用并破坏失稳。故大跨溶洞稳定分析中不能忽略节理裂隙的位置及工程特性;

　　(4)后期希望能结合三维离散单元分析、室内物理模型试验和现场监测作更深入的研究。

　　参考文献

　　[1]Goodings，DJ，Abdulla，W.A.Stabilitychartsforpredictingsinkholesinweaklycementedsandoverkarstlimestone.Engi⁃neeringGeology[J].2002，65(2-3)：179-184.

　　[2]孟庆山，陈勇，汪稔.岩溶洞穴工程地质条件与顶板稳定性评价[J].土工基础，2004，18(5)：55-58.

　　[3]Jordá-BordehoreL，Martín-GarcíaR.，Alonso-ZarzaA.M.，Jordá-BordehoreR.，&Romero-CrespoP.L..Stabilityassess⁃mentofshallowlimestonecavesthroughanempiricalap⁃proach：applicationofthestabilitygraphmethodtotheCas⁃tanarCavestudysite(Spain)[J].BulletinofEngineeringGeol⁃ogyandtheEnvironment，2016，75(4)：1469-1483.

　　[4]蒋冲，赵明华，胡柏学，等.路基溶洞顶板稳定性影响因素分析[J].公路工程，2009，34(1)：5-9.

　　[5]王桂林.岩石洞室地基稳定性研究[D].重庆：重庆大学，2004.

　　[6]张永兴，王桂林.高层建筑岩石洞室地基稳定性分析方法与应用[J].工程力学，2007，24(S2)：110-120.