摘要：貴州一輸水渡槽跨越巖溶區(qū)域，可能會(huì)產(chǎn)生巖溶塌陷、向臨空面失穩(wěn)等工程地質(zhì)問(wèn)題。本文在地質(zhì)鉆探、物探和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過(guò)基于地質(zhì)力學(xué)的地質(zhì)輪廓法進(jìn)行裂隙配套，判斷節(jié)理裂隙性質(zhì)及其對(duì)巖溶的影響，結(jié)合深淺埋洞穴的界定初步判斷其穩(wěn)定性，并采用基于規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的半定量穩(wěn)定性分析及含節(jié)理裂隙的二維有限元分析、三維有限差分分析，從位移、應(yīng)力分布及塑性區(qū)發(fā)展及破壞模式角度來(lái)判斷溶洞在上部荷載作用下的穩(wěn)定性。研究表明：本工程溶洞頂板的受力同深梁的受荷模式，節(jié)理裂隙很大程度上影響頂板的穩(wěn)定性，頂板容易沿節(jié)理裂隙和層面產(chǎn)生剪切、拉伸作用。最后結(jié)合長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行綜合給出基礎(chǔ)選型建議。

　　關(guān)鍵詞：隱伏溶洞;地質(zhì)輪廓法;深淺埋洞穴;數(shù)值分析;基礎(chǔ)選型

　　地質(zhì)方向論文投稿刊物：《中國(guó)巖溶》(季刊)1982年創(chuàng)刊，為我國(guó)目前為止唯一國(guó)內(nèi)外公開(kāi)出版發(fā)行的巖溶學(xué)術(shù)期刊;內(nèi)容豐富，覆蓋面廣，可讀性強(qiáng)，是地質(zhì)、地理、農(nóng)林、水利、建筑、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)科技人員及高校師生不可多得的一本權(quán)威性參考讀物。

　　0引言

　　同公路、鐵路等線路工程一樣，水利工程的輸水線路也要穿越不同地貌單元。貴州省作為全國(guó)碳酸鹽巖出露面積最廣的省份，輸水工程不可避免地通過(guò)地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件均十分復(fù)雜的巖溶區(qū)，特別是含隱伏溶洞的地基，就可能遭遇巖溶頂板塌陷[1]、基礎(chǔ)沿臨空的結(jié)構(gòu)面滑移等問(wèn)題。目前巖溶洞穴頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法有多種[2]，Jordá-Bordehore[3]采用巖體質(zhì)量指標(biāo)結(jié)合穩(wěn)定圖表法評(píng)價(jià)洞穴頂板穩(wěn)定性;蔣沖[4]運(yùn)用鐵摩辛柯的彈性理論，導(dǎo)出巖溶區(qū)路基溶洞頂板巖層的應(yīng)力計(jì)算公式;王桂林等[5-6]根據(jù)建筑巖石地基洞室的破壞模式分析，得出了圓形洞室地基平面彈性應(yīng)力位移的解析解，并運(yùn)用有限元數(shù)值分析技術(shù)，采用強(qiáng)度折減法、加載系數(shù)法對(duì)洞室地基模型進(jìn)行了模擬對(duì)比分析;有限差分[7-8]、三維有限元[9]、離散元[10-11]等數(shù)值模擬方法是巖溶穩(wěn)定分析的常用方法;石祥鋒[12]運(yùn)用數(shù)值模擬方法及現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)等綜合分析巖溶頂板的穩(wěn)定性;劉鐵雄[13]基于相似理論，建立室內(nèi)樁基物理模型;考慮隱伏巖溶條件下的上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基共同作用并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)在一些重要工程中也得到應(yīng)用[14-15]。

　　以上的研究較少考慮節(jié)理裂隙影響頂板巖體受力特性及破壞模式，而且渡槽在巖石上基礎(chǔ)多為擴(kuò)大基礎(chǔ)，不同于樁基、筏基，故本文嘗試基于地質(zhì)力學(xué)和隧道力學(xué)，采用帶節(jié)理單元的二維有限元和三維有限差分法，分析含隱伏溶洞的地基穩(wěn)定性，并給出基礎(chǔ)選型建議，以期給類(lèi)似工程提供一定的參考借鑒和技術(shù)支撐。

　　1工程簡(jiǎn)介及工程地質(zhì)條件

　　某渡槽初設(shè)階段為一跨度為80m的拱式渡槽，設(shè)計(jì)流量5.7m³⋅s-1，施工圖階段線路調(diào)整，渡槽軸線橫向平移25m，勘探表明拱座基礎(chǔ)下部6m為一洞徑約8.5m的溶洞，考慮到拱座水平力較大，結(jié)構(gòu)形式對(duì)位移敏感，設(shè)計(jì)變更為排架式渡槽。渡槽橫跨一溶蝕溝谷地形，渡槽軸向?yàn)镹320E，地形坡度為20°~30°，邊坡為斜向坡;兩岸基巖基本裸露，溝谷底部和緩坡地帶覆蓋層零星分布，主要為殘坡積粘土夾碎石，厚0~0.5m，下伏基巖為T(mén)1m1灰色中厚層灰?guī)r，巖體強(qiáng)風(fēng)化厚度為基巖面以下2.0m;該段渡槽未發(fā)現(xiàn)較大的構(gòu)造通過(guò)，巖層產(chǎn)狀為324°∠25°。

　　共有兩組節(jié)理裂隙發(fā)育，第一組產(chǎn)狀N30°~40°W/SW∠70°~80°，第二組產(chǎn)狀N40°~60°E/SE∠40°-50°，兩組節(jié)理裂隙面一般粗糙不平，無(wú)擦痕，表面裂隙多張開(kāi)，裂隙間距約30~50cm，延伸長(zhǎng)度一般1~2m，局部充填方解石脈及黏土。地下水類(lèi)型主要為巖溶裂隙水，埋藏較深，溝谷部位渡槽基礎(chǔ)位于地下水位以上。

　　1.1巖溶發(fā)育及其規(guī)律

　　巖溶發(fā)育與巖性、CaO/MgO含量、溫度、氣候、水動(dòng)力、地質(zhì)構(gòu)造條件等息息相關(guān)。研究地區(qū)屬于亞熱帶氣候區(qū)，雨量較充沛，地下水和地表水的補(bǔ)、徑、排對(duì)巖溶發(fā)育規(guī)模影響較大。巖溶個(gè)體尺寸差別較大，地表雖然未見(jiàn)巖溶塌陷、漏斗、洼地等負(fù)地形，經(jīng)調(diào)查地下也未發(fā)現(xiàn)伏流和暗河，但溶溝溶槽發(fā)育，開(kāi)挖渠道的周邊常見(jiàn)溶蝕裂隙及溶孔，地表基巖基本裸露，植被以小灌木為主。通過(guò)鉆探(共計(jì)14孔)，鉆孔見(jiàn)洞隙率為35%，線巖溶率為9.3%，共發(fā)現(xiàn)4個(gè)尺寸較大的溶洞，溶洞高度從0.7~8.5m不等，鉆進(jìn)中所有孔均為不返水孔，溶洞的充填情況以軟塑至可塑狀的黏土全充填或局部充填，最大的溶洞發(fā)育深度約20m。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)和《工程地質(zhì)手冊(cè)》[16]，場(chǎng)地地基特點(diǎn)突出表現(xiàn)為見(jiàn)洞率高，線巖溶率較高、溶腔大、呈串珠狀、部分溶洞上下連通性好，為地下水與地表水之間流通提供了有利途徑，形成強(qiáng)透水帶。故判斷場(chǎng)地的巖溶發(fā)育程度為強(qiáng)發(fā)育。

　　1.2節(jié)理裂隙配套

　　根據(jù)徐邦棟[17]基于地質(zhì)力學(xué)發(fā)明的地質(zhì)輪廓法，按單向受力(先期擠壓力和后期松弛力)進(jìn)行構(gòu)造裂隙配套，進(jìn)而判斷節(jié)理裂隙產(chǎn)狀及性質(zhì)。根據(jù)圖2和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)節(jié)理裂隙性質(zhì)，表明剪切裂隙和松壓裂隙不發(fā)育，最發(fā)育的為張拉、彎張或松張形成的兩組節(jié)理裂隙。由于均為張性節(jié)理裂隙，地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄沿這兩組結(jié)構(gòu)面循環(huán)條件良好，巖溶容易發(fā)育。另外由于這兩組結(jié)構(gòu)面的傾角較陡，易形成以豎向巖溶發(fā)育為主、地表土充填的大小溶洞。這也是該區(qū)覆蓋層較少，近似石漠化的原因之一。

　　2溶洞頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

　　2.1定性分析

　　由于含有張性裂隙切割巖體，其后期膠結(jié)一般，巖層產(chǎn)狀單斜產(chǎn)出且較陡;巖溶埋藏淺，洞徑大，頂板厚度與洞跨比值小，溶洞內(nèi)一般為未充填、半充填或水流沖蝕充填物，不能有效支撐溶洞;地下水為巖溶裂隙水型，受大氣降雨補(bǔ)給，存在水流或間歇性水流。雖然厚層狀灰?guī)r強(qiáng)度較高，但頂部作用渡槽基礎(chǔ)荷載后，需要評(píng)價(jià)溶洞頂板穩(wěn)定性。

　　2.2二維有限元分析

　　對(duì)于深埋埋圓形洞室，基于平面應(yīng)變的彈性解析可以由基爾西公式得出，對(duì)于淺埋洞室且上部有荷載的，也有采用復(fù)變函數(shù)法的求解公式。考慮到洞室形狀的復(fù)雜，地表為斜坡，且為彈塑性的巖體材料，采用數(shù)值分析軟件進(jìn)行求解，假定模型為平面應(yīng)變，考慮到溶洞在5#墩擴(kuò)大基礎(chǔ)按450應(yīng)力擴(kuò)散角以外，1#墩距離溶洞較遠(yuǎn)，故不考慮1#及5#的荷載作用。模型考慮2#、3#、4#的基底荷載，按標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)的壓應(yīng)力為200kPa，240kPa，280kPa，沿渡槽軸線長(zhǎng)度170m，下邊界與溶洞底板的距離大于5倍溶洞尺寸，左右邊界約束水平位移，底部邊界約束水平和豎向位移，上部邊界自由，考慮重力荷載，層面和結(jié)構(gòu)面考慮用節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬[18]。

　　2.3三維有限差分分析[21-22]

　　2.3.1計(jì)算模型

　　邊坡坐標(biāo)系以與渡槽軸線平行且指向流水方向?yàn)閤軸，鉛垂方向向上為z軸，按右手法則確定y軸。計(jì)算模型沿x向邊坡寬度為120m，沿y向邊坡走向長(zhǎng)度為127m，保證水平方向范圍溶洞兩側(cè)的范圍大于5倍溶洞洞徑。z軸底部與溶洞底部的距離大于3倍溶洞洞徑。共有485415個(gè)單元，214818個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型除坡面設(shè)為自由邊界外，模型底部設(shè)為固定約束邊界，模型四周設(shè)為單向邊界。在初始條件中，不考慮構(gòu)造應(yīng)力(現(xiàn)場(chǎng)溝谷切割，認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力已得到釋放)，僅考慮自重應(yīng)力作用下的初始應(yīng)力。

　　3結(jié)論

　　(1)基于地質(zhì)力學(xué)的地質(zhì)輪廓法進(jìn)行構(gòu)造裂隙配套，能很合理地解釋節(jié)理裂隙性質(zhì)，對(duì)其力學(xué)指標(biāo)確定和巖溶發(fā)展規(guī)律有較好的指導(dǎo)意義;

　　(2)采用鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中的深淺埋隧道判定方法，對(duì)溶洞的自身穩(wěn)定性判斷有一定的借鑒作用;

　　(3)本工程溶洞頂板的受力同深梁的受荷模式，節(jié)理裂隙很大程度上影響頂板的穩(wěn)定性，頂板容易沿節(jié)理裂隙和層面產(chǎn)生剪切、拉伸作用并破壞失穩(wěn)。故大跨溶洞穩(wěn)定分析中不能忽略節(jié)理裂隙的位置及工程特性;

　　(4)后期希望能結(jié)合三維離散單元分析、室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)作更深入的研究。

　　參考文獻(xiàn)

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

　　[2]孟慶山，陳勇，汪稔.巖溶洞穴工程地質(zhì)條件與頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].土工基礎(chǔ)，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]蔣沖，趙明華，胡柏學(xué)，等.路基溶洞頂板穩(wěn)定性影響因素分析[J].公路工程，2009，34(1)：5-9.

　　[5]王桂林.巖石洞室地基穩(wěn)定性研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2004.

　　[6]張永興，王桂林.高層建筑巖石洞室地基穩(wěn)定性分析方法與應(yīng)用[J].工程力學(xué)，2007，24(S2)：110-120.