摘要：貴州一輸水渡槽跨越巖溶區域，可能會產生巖溶塌陷、向臨空面失穩等工程地質問題。本文在地質鉆探、物探和現場調查的基礎上，通過基于地質力學的地質輪廓法進行裂隙配套，判斷節理裂隙性質及其對巖溶的影響，結合深淺埋洞穴的界定初步判斷其穩定性，并采用基于規范、標準的半定量穩定性分析及含節理裂隙的二維有限元分析、三維有限差分分析，從位移、應力分布及塑性區發展及破壞模式角度來判斷溶洞在上部荷載作用下的穩定性。研究表明：本工程溶洞頂板的受力同深梁的受荷模式，節理裂隙很大程度上影響頂板的穩定性，頂板容易沿節理裂隙和層面產生剪切、拉伸作用。最后結合長期安全穩定運行綜合給出基礎選型建議。

　　關鍵詞：隱伏溶洞;地質輪廓法;深淺埋洞穴;數值分析;基礎選型

　　地質方向論文投稿刊物：《中國巖溶》(季刊)1982年創刊，為我國目前為止唯一國內外公開出版發行的巖溶學術期刊;內容豐富，覆蓋面廣，可讀性強，是地質、地理、農林、水利、建筑、環境保護等行業科技人員及高校師生不可多得的一本權威性參考讀物。

　　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。貴州省作為全國碳酸鹽巖出露面積最廣的省份，輸水工程不可避免地通過地質條件和水文地質條件均十分復雜的巖溶區，特別是含隱伏溶洞的地基，就可能遭遇巖溶頂板塌陷[1]、基礎沿臨空的結構面滑移等問題。目前巖溶洞穴頂板穩定性評價方法有多種[2]，Jordá-Bordehore[3]采用巖體質量指標結合穩定圖表法評價洞穴頂板穩定性;蔣沖[4]運用鐵摩辛柯的彈性理論，導出巖溶區路基溶洞頂板巖層的應力計算公式;王桂林等[5-6]根據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力位移的解析解，并運用有限元數值分析技術，采用強度折減法、加載系數法對洞室地基模型進行了模擬對比分析;有限差分[7-8]、三維有限元[9]、離散元[10-11]等數值模擬方法是巖溶穩定分析的常用方法;石祥鋒[12]運用數值模擬方法及現場多點位移計監測等綜合分析巖溶頂板的穩定性;劉鐵雄[13]基于相似理論，建立室內樁基物理模型;考慮隱伏巖溶條件下的上部結構-基礎-地基共同作用并通過現場監測在一些重要工程中也得到應用[14-15]。

　　以上的研究較少考慮節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多為擴大基礎，不同于樁基、筏基，故本文嘗試基于地質力學和隧道力學，采用帶節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定性，并給出基礎選型建議，以期給類似工程提供一定的參考借鑒和技術支撐。

　　1工程簡介及工程地質條件

　　某渡槽初設階段為一跨度為80m的拱式渡槽，設計流量5.7m³⋅s-1，施工圖階段線路調整，渡槽軸線橫向平移25m，勘探表明拱座基礎下部6m為一洞徑約8.5m的溶洞，考慮到拱座水平力較大，結構形式對位移敏感，設計變更為排架式渡槽。渡槽橫跨一溶蝕溝谷地形，渡槽軸向為N320E，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T1m1灰色中厚層灰巖，巖體強風化厚度為基巖面以下2.0m;該段渡槽未發現較大的構造通過，巖層產狀為324°∠25°。

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

　　1.1巖溶發育及其規律

　　巖溶發育與巖性、CaO/MgO含量、溫度、氣候、水動力、地質構造條件等息息相關。研究地區屬于亞熱帶氣候區，雨量較充沛，地下水和地表水的補、徑、排對巖溶發育規模影響較大。巖溶個體尺寸差別較大，地表雖然未見巖溶塌陷、漏斗、洼地等負地形，經調查地下也未發現伏流和暗河，但溶溝溶槽發育，開挖渠道的周邊常見溶蝕裂隙及溶孔，地表基巖基本裸露，植被以小灌木為主。通過鉆探(共計14孔)，鉆孔見洞隙率為35%，線巖溶率為9.3%，共發現4個尺寸較大的溶洞，溶洞高度從0.7~8.5m不等，鉆進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，最大的溶洞發育深度約20m。根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)和《工程地質手冊》[16]，場地地基特點突出表現為見洞率高，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，形成強透水帶。故判斷場地的巖溶發育程度為強發育。

　　1.2節理裂隙配套

　　根據徐邦棟[17]基于地質力學發明的地質輪廓法，按單向受力(先期擠壓力和后期松弛力)進行構造裂隙配套，進而判斷節理裂隙產狀及性質。根據圖2和現場實測節理裂隙性質，表明剪切裂隙和松壓裂隙不發育，最發育的為張拉、彎張或松張形成的兩組節理裂隙。由于均為張性節理裂隙，地下水的補給、徑流和排泄沿這兩組結構面循環條件良好，巖溶容易發育。另外由于這兩組結構面的傾角較陡，易形成以豎向巖溶發育為主、地表土充填的大小溶洞。這也是該區覆蓋層較少，近似石漠化的原因之一。

　　2溶洞頂板穩定性評價

　　2.1定性分析

　　由于含有張性裂隙切割巖體，其后期膠結一般，巖層產狀單斜產出且較陡;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，受大氣降雨補給，存在水流或間歇性水流。雖然厚層狀灰巖強度較高，但頂部作用渡槽基礎荷載后，需要評價溶洞頂板穩定性。

　　2.2二維有限元分析

　　對于深埋埋圓形洞室，基于平面應變的彈性解析可以由基爾西公式得出，對于淺埋洞室且上部有荷載的，也有采用復變函數法的求解公式。考慮到洞室形狀的復雜，地表為斜坡，且為彈塑性的巖體材料，采用數值分析軟件進行求解，假定模型為平面應變，考慮到溶洞在5#墩擴大基礎按450應力擴散角以外，1#墩距離溶洞較遠，故不考慮1#及5#的荷載作用。模型考慮2#、3#、4#的基底荷載，按標準組合時的壓應力為200kPa，240kPa，280kPa，沿渡槽軸線長度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，層面和結構面考慮用節理裂隙網絡來模擬[18]。

　　2.3三維有限差分分析[21-22]

　　2.3.1計算模型

　　邊坡坐標系以與渡槽軸線平行且指向流水方向為x軸，鉛垂方向向上為z軸，按右手法則確定y軸。計算模型沿x向邊坡寬度為120m，沿y向邊坡走向長度為127m，保證水平方向范圍溶洞兩側的范圍大于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個單元，214818個節點。計算模型除坡面設為自由邊界外，模型底部設為固定約束邊界，模型四周設為單向邊界。在初始條件中，不考慮構造應力(現場溝谷切割，認為構造應力已得到釋放)，僅考慮自重應力作用下的初始應力。

　　3結論

　　(1)基于地質力學的地質輪廓法進行構造裂隙配套，能很合理地解釋節理裂隙性質，對其力學指標確定和巖溶發展規律有較好的指導意義;

　　(2)采用鐵路隧道設計規范中的深淺埋隧道判定方法，對溶洞的自身穩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，節理裂隙很大程度上影響頂板的穩定性，頂板容易沿節理裂隙和層面產生剪切、拉伸作用并破壞失穩。故大跨溶洞穩定分析中不能忽略節理裂隙的位置及工程特性;

　　(4)后期希望能結合三維離散單元分析、室內物理模型試驗和現場監測作更深入的研究。

　　參考文獻

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