贵州岩溶地区输水渡槽的基础选型分析

SINICA

Vol.38No.4

2019年8月

CARSOLOGICA

Aug.2019

谢红建，吴擎文，杨文.贵州岩溶地区输水渡槽的基础选型分析［J］.中国岩溶，2019，38（4）：584-590.DOI：10.11932/karst20190417

贵州岩溶地区输水渡槽的基础选型分析

谢红建1，吴擎文2，杨文2

（1.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳550002；2.贵州省水利投资（集团）有限责任公司，贵阳550002）

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；基础选型中图分类号:TV672.3

文献标识码:A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号:1001-4810（2019）04-0584-07

0引言

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。

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、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，Jordá-Bordehore

［4］

［2］

［3］

［1］

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

资助项目：黔科合重大专项字（〔2017〕3005-1号）

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

第一作者简介：谢红建（1977-），男，硕士，高级工程师，主要从事岩石力学研究。E-mail：381706069@qq.com。收稿日期：2019-04-30

第38卷第4期谢红建等：贵州岩溶地区输水渡槽的基础选型分析

585

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，沟谷底部和石，厚0~0.5m，下伏基岩为T1m1灰色中厚层灰岩，岩缓坡地带覆盖层零星分布，主要为残坡积粘土夹碎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。其纵剖面见图1。

图1

Fig.1

渡槽工程地质纵剖面图

Longitudinalgeologicalsectionofplannedaqueduct

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

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。

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》

［16］

（GB50007-2011）和《工程地质手册》，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

图2

Fig.2

岩体节理裂隙配套

Matchedjointsandfracturesinrockmass

586

中国岩溶2019年

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。D，塌方高度根据《铁路隧道设计规范》h（TB10003-2016）附录

q为：

hq=0.45×2

s-1

ω（1）

式中：s为围岩类别，ω为宽度影响系数，ω=1+i(B-5)；

i-B每增减1m时的围岩压力增减率：当B<5m

时，取i=0.2；B>5m时，可取i=0.1。当隧道拱顶以上覆盖厚度h<2.5h道。其竖向作用力为：

q时为浅埋隧

γ×h(B-h×λ×tgθ)

（2）

λ=

tanβ[1+tanβ(tantanβφ-tantanφc

c-θ)+tanφctanθ]tanβ=tanφc+

(tan2φc+1tan)tanθφctanφc-m×4.本文以7m，参考钻探中的岩芯3#排架为例来论述，RQD其基础尺寸为5.8

关规范，判定溶洞的围岩类别为III及取芯率，类围岩，岩体的完

结合相整程度为较完整，其重度γ为25kN⋅m-3，洞顶离地面的高度h为10.0m，溶洞跨度为8.5m，其内摩擦角取值θ为39°，计算内摩擦角φc为60°。可以得出hq限为=2.6.4307，tanm，β为深埋隧道。当为=4.47288，

λ=0.094IV，类围岩时，深浅埋隧洞的界则为浅

埋10×隧0.094道×tan39，则）竖=1934.向作7kN用⋅m力P=25×10×（8.5--1。可见当围岩条件变差时，围岩承受的竖向力变化很大，故需要防止围岩条件恶化。

虽然溶洞的尺寸大于扩大基础的尺寸，但对于较完整的坚硬岩、较硬岩地基，当顶板的厚度大于洞的跨度时，根据《工程地质手册》岩溶地基的定性评价，可以不考虑岩溶的影响。根据广西壮族自治区工程建设地方标准《岩溶地区建筑地基基础技术规范》（DBJ/T45/024-2016），当岩体基本质量等级为II级，底板厚度大于1.7倍的洞径时，才不考虑溶洞的

影响。根据51238-2018《岩溶地区建筑地基基础技术标准》度大于或等于溶洞跨度，）要求岩体基本质量等级为（GB/T经验算顶部稳定的条件下，II级，底板厚可不考虑溶洞的不利影响。《贵州省建筑岩土工程技术规范》（DBJ52/45-2018）的规定同广西地方标准；《贵州建筑地基基础设计规范》（DBJ52-45-2018）的规定基本同国标（GBT51238-2018）。考虑到基础间距较近，荷载较大，溶洞洞径较大，结合规范，需对溶洞顶板稳定进行进一步分析。2.2

半定量分析

按规范的抗弯和抗剪公式确定的溶洞顶部厚度为：

H≥6bMσ,H≥4SV（3）

6×1H≥

8(10×25+240)×8.521.0×1=2.30(m)

8×40000H≥

4×0.5×(1/1210××2540000+240)×8.5=1.58(m)

25°，由于层面为胶结结构面，另外，由于层面在溶洞位置形成临空面，内摩擦角按《水利水电倾角为

工程地质勘察规范》（GB50487-2008）取值为34°，在tan34/tan25=1.不考虑粘聚力的情况下，45。沿临空面的稳定性系数为

通过以上分析，表明溶洞顶板是安全的。2.3

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］。

根据试验资料、地质描述并参考Hoek-Brown准则［19］，结合规范建议和工程类比，分析时采用摩尔－库伦模型，见表1的物理力学参数：

第38卷第4期谢红建等：贵州岩溶地区输水渡槽的基础选型分析

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表1岩体和节理裂隙的物理力学参数

Table1Physicalandjointsmechanicalandfracturesparametersofrockmass，名称密度弹模φσt

/

/t⋅m-3

/GPaμ

c/kPa

/°kPa强风化灰岩2.32.00.353003050弱风化灰岩

2.5

6.3

0.3

50039100层面2003470裂隙

60

20

20

2.3.1应力分析

从图3中第一主应力云图可看出，在溶洞顶部和底部出现拉应力，在溶洞两侧出现应力集中；由于跨高比大于1，整个顶板的受力同深梁的受力模式［20］，截面应变分布不再符合平截面假设，而且不像钢筋砼那样底部有受拉钢筋的约束，在顶板下部出现拉应力后，梁下部出现卸荷，梁的作用减弱，拱的作用增强，形成了以溶洞两侧岩体为拱支座，扩大基础位置为拱顶的压力拱，拱的应力以拱顶最小，拱脚最大。

图3

第一主应力图

Fig.3

Contoursoffirstprincipalstress

2.3.2位移分析

从图4中2#墩、4#墩扩大基础竖向位移发生在基础下部的一定范围，并随着深度增加而减少呈“泡状”收敛的趋势；在3#墩由于溶洞的存在，在基础底部出现最大约1.5cm的竖向位移，在溶洞顶板下部的位移约为1.2cm，虽然位移有减小的趋势，但云图位移呈现为不收敛的“长条状”。3#墩基础的位移不仅有压缩变形，还有深梁在竖向荷载作用下的弯曲变形和剪切变形，这也是顶板下部和顶板上部的竖

向位移差别不大的主要原因。由于边坡的存在，竖向荷载作用下的水平位移朝向边坡坡脚，但由于溶洞两侧形成了拱受力模式，在拱脚两端产生水平反向的水平位移。

图4

竖向位移图

Fig.4

Verticaldisplacementafterexcavation

2.3.3

塑性区分析

在图5溶洞的顶部和底部的局部位置及基础下部出现拉应力屈服，溶洞两侧局部出现剪切屈服，在溶洞左上方的拱座范围内岩体容易产生沿竖向裂隙的剪切屈服，溶洞右上方的拱座岩体除了产生沿竖向裂隙的剪切屈服，也产生了沿层面的剪切屈服。由于荷载更靠近溶洞左侧，受力不对称导致左侧沿竖向裂隙的屈服范围大于右侧。另外，屈服区并未贯通整个顶板。

图5塑性区分布图

Fig.5

Distributionofplasticzones

2.3.4

破坏趋势分析

根据节理裂隙区服单元分布及强度折减法的变形破坏图（图6）（变形放大图），溶洞左右两侧裂隙屈服由拱座向拱顶发展，即由应力大的位置向应力小

588

中国岩溶2019年

的位置发展，并追踪层面和裂隙面形成“台阶”状的剪切屈服带。在左右两侧拱座位置，压应力也容易导致岩体沿竖向裂隙形成“压致拉裂”，另外在右侧拱座上部，弯曲和剪切应力让岩体产生沿层面的“离析”，最终在左右两侧形成沿裂隙贯通的“八”字形的冲切屈服面。这种“压致拉裂”和“离析”也为地表水下渗提供了空间，结构面的胶结物容易风化、冲蚀，最终降低了岩体的力学参数，引起溶洞周围岩体的局部失稳，进而破坏了溶洞的整体稳定性。

图6变形破坏图Fig.6

Deformationandfailure

2.4三维有限差分分析[21-22]

2.4.1

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。

R在计算过程中总大于零，表示模型的不平衡力的相对大小，Flac3D中用最大不平衡力和典型内力大的比值

因模型不会达到绝对稳定该值为百分数，的平衡状态，可以根据要求的精度设定R值，模型默认的R值最小为1e-5。其模型见图7。

图7

计算模型图

Fig.7

Three-dimensionalcalculationmodel

2.4.2应力分析

在主应力矢量图8中，同二维分析在溶洞顶部和底部出现拉应力，在溶洞两侧出现应力集中，主应力方向也因为溶洞缘故发生偏转，形成拱受力体系。

图8应力矢量图Fig.8

Stressvectordiagram

2.4.3

位移分析

从三维分析位移云图9看出，位移呈“碗状”收敛的趋势，其最大位移约为0.5mm，远小于二维分析的结果，除了三维效应外，本分析未考虑节理裂隙的刚度也是一个因素。

图9位移云图

Fig.9

Verticaldisplacementcontoursafterexcavation

第38卷第4期谢红建等：贵州岩溶地区输水渡槽的基础选型分析

589

2.4.4塑性区分析

（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

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图10塑性区分布图

Fig.10

Distributionofplasticzones

从以上定性分析、半定量分析中，判断溶洞顶板厚度满足受力要求；二维和三维的数值分析从应力分布、位移趋势及塑性区发展来看，能满足规范要求。三维有限差分仅在参数上考虑了节理裂隙的作用，三维分析的位移和塑性区均小于二维分析结果。另外由于溶洞跨度较大，形成了深受弯的受力模式，拱作用强于梁作用；且受张性节理裂隙的切割作用，容易在拱座形成“压致拉裂”并在拱座上部形成沿层面的“离析”，易形成局部失稳而影响整体稳定。在基础选型方面，由于溶洞尺寸较大，采用筏板［23-24］跨越很不经济，考虑到工程安全和长期稳定运行，采用扩大基础（可采用固结灌浆加固顶板并结合排气措施）和桩基（穿过溶洞，在溶洞顶板位置采用隔离措施，防止桩侧摩阻力传给顶板）较为合理，设计采用了扩大基础形式。

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；

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Analysisoffoundationselectionofawater-transmissionaqueductacrossa

karstareainGuizhouProvince

XIEHongjian1，WUQingwen2，YANGWen2

（1.InstituteofWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignofGuizhouProvince，Guiyang，Guizhou550002，China；2.

WaterConservancyInvestment（Group）Co.，Ltd.ofGuizhouProvince，Guiyang，Guizhou550002，China）

AbstractAwater-transmissionaqueductcrossesakarstareaofGuizhouProvince，whichmaycauseengineering

geologicalproblemssuchaskarstcollapseandinstabilityofslopes.Onthebasisofgeologicalandgeophysicalsur⁃veysanddrillingpropertyofjointsandcracksandtheireffectsonkarstareanalyzedusingthegeologicaloutlineFEManalysescontainingjointsandfracturesareperformedtofurtherexaminethestabilityofkarstcavesundermodes.Researchshowsthatthestressoftheroofofthekarstcavebeneaththeprojectsiteissimilartothatofamethod，andthestabilityofburiedkarstcavesisassessed.Standardsemi-quantitativeanalysisand2D-and3Doverlyingloadsfromtheperspectivesofdisplacement，stressdistribution，developmentofplasticzonesandfailureloadedbeamatdepth，inwhichjointsandfracturescanhaveagreatimpactonthestabilityoftheroof.Shearingandextensionareeasytooccuralongthesediscontinuities.Basedonsuchanalysis，apropertypeoffoundationisrecommendedforthelong-termsafetyandstabilityoftheplannedaqueduct.Keywordsfoundationselection

（编辑

张玲）

concealedkarstcave，geologicalprofilemethod，deepandshallowcave，numericalanalysis，