基于离散单元法对不同排水条件下衬砌稳定性的研究

梁建毅 毕丽平 刘晓亮 李 崴

(1.黄岛国家石油储备基地有限责任公司，山东 青岛 266426； 2.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)



基于离散单元法对不同排水条件下衬砌稳定性的研究

李 崴(1992- )，男，在读硕士

梁建毅1毕丽平2刘晓亮1李 崴2

(1.黄岛国家石油储备基地有限责任公司，山东 青岛 266426； 2.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)

以国家首个大型水封石洞油库为背景，采用离散单元法，模拟了洞室施工期不同排水条件下的衬砌形态，对不同排水条件下的衬砌进行稳定性研究，确定了作用在衬砌上水压力控制范围，并将其运用于施工过程中，证明了该研究在工程实践中的有效性。

水封油库，离散单元法，衬砌，排水条件

0 引言

石油是国民经济的命脉。我国高速发展的经济对石油的需求量也日益增大。十二五期间，我国制定了能源发展规划，把建立石油战略储存作为能源工作的重要任务。相比于传统地上储备库，地下储库具有安全性高、使用寿命长、可躲避常规武器袭击等优点[1]。作为地下储备库的一种，地下水封石油洞库更是以其地域适应性强、库存规模大、易扩建等优点受到各国的青睐[2]。

在地下油库中，衬砌起着支护围岩，防止围岩变形的作用。在施工期，不同的排水方式对衬砌造成的压力也不相同，选择合理的排水方式对衬砌稳定形态的维护具有重要作用。

本文以我国首个大型水封石洞油库为背景，采用离散单元法模拟洞室施工期不同排水条件下衬砌形态，观测衬砌破坏形态，研究成果可为水封洞库衬砌设计和施工提供科学依据和重要参考。

1 离散单元法

在离散单元法中，二维梁单元表示衬砌，梁单元与围岩通过弹簧(交界面)连接，可以定义交界面的法向和切向刚度，如图1所示[3]。

离散元软件根据开挖隧道的形状自动生成相应个数的单元节点，如图2中圆形区域所示。在本文所采用的模型中，系统根据开挖断面形状自动生成了36个单元节点，如图2所示。每两个单元节点之间为一个结构单元，分别用不同的id号表示，例如结构单元1位于节点1和节点2之间，依次类推。在模拟过程中衬砌与周围地层通过交界面实现相互作用，产生结构单元的轴力、弯矩等。

2 数值模拟

2.1 工程背景

该地下水封洞库工程库址区属低山丘陵地貌。地面平均标高为220 m，最高点标高为350.9 m，最低点标高为97.50 m，储库洞室区呈北偏西方向展布，南北长约为838 m，东西宽为600 m。工程包括地下工程和地上辅助设施两部分，地下储库由9个洞室组成，每3个主洞室之间通过4条支洞相连组成一个罐体，共分为3个洞罐组。洞室设计底板面标高为-50 m，长度为500 m～600 m不等，设计洞跨为20 m，洞高为30 m，截面形状为直墙圆拱形，如图3 所示。

2.2 网络模型

本文利用离散元软件UDEC将洞室衬砌简化为平面应变问题，选择一个洞室横截面，在二维x，y两个方向对洞室衬砌进行数值模拟。在洞室工程建设中，洞室开挖后，3倍～5倍洞径范围为开挖影响范围，该范围内的岩体称为围岩体，应力将产生重分布。模型设计尺寸为100 m×100 m的正方形，并在参考地质概况的基础上，添加倾角为45°和135°的岩层节理面，划分网格，如图4所示。围岩及衬砌参数参考文献[4]～[6]。

2.3 施工期模拟

施工期模拟分别为工况1完全不排水、工况2和工况3为部分排水、工况4完全排水。在完全不排水的情况下经计算作用在衬砌上的水压力为0.7 MPa；在洞室完全排水情况下，作用在衬砌上的水压力为0；部分排水按不排水情况下水压力的60%，30%计算，则四种工况用衬砌水压力分别表示为0.7 MPa，0.42 MPa，0.21 MPa和0。模拟四种工况下的衬砌形态，分析衬砌受力特征，记录四种工况下衬砌破坏部位的数量，如图5所示。

从图5可以看出在四种排水条件不同的工况下，衬砌产生的破坏部位和数量是不同的，图5中灰色区域为拉伸破坏，在工况1下，洞室开挖后衬砌背后的水没有排出，这就造成了衬砌背部水压力的过大，衬砌破坏部位增多，在重力作用下，由于洞室底部水压大于其他部位，故此时破坏部位多集中于底拱和侧墙位置；在工况2下，洞室开挖后部分排水，水压力降低为完全不排水的60%，这种工况下，衬砌破坏部位仍在底拱部位；在工况3下，排水条件进一步提高，降为完全不排水的30%，此时衬砌破坏部位明显减少，出现在拱脚位置，侧墙位置出现少量拉伸破坏；在工况4下，由于洞室开挖后衬砌背后的地下水排入开挖部位，则其背后没有水压作用，对衬砌产生挤压作用较小，故此时洞室破坏部位较少，多为拉伸破坏，主要集中在拱脚应力集中部位，此时产生的裂缝也较少，可通过拱脚位置注浆加固方法进行消除。

图6中显示了在工况1～工况4下衬砌弯矩变化情况，图6中灰色区域为弯矩值，四种工况下弯矩值分别为6.349×105N·m，4.275×105N·m，3.011×105N·m，2.523×105N·m，最大弯矩部位与衬砌破坏产生裂隙位置相同，可知在排水不良的情况下，衬砌弯矩较大，破坏位置数量也较多。随着排水条件转好，最大弯矩下降，当衬砌水压力降为0.21 MPa时，工况3和工况4弯矩下降趋势减小。选取结构单元4，11，21，32进行分析，记录单元轴力如图7所示。

图7显示了在工况1～工况4下单元轴力变化情况，从图7中可以看出衬砌单元的轴力随着衬砌水压力的减小而呈降低趋势，当水压力范围从0.7 MPa降为0.42 MPa时，轴力下降明显(约30%)，水压力从0.42 MPa降低到0.21 MPa时，轴力下降同样明显(约30%)，而水压力从0.21 MPa降低到0时，轴力下降较小(约10%)。

综合图5～图7可知，随着作用在衬砌上水压力的减少，衬砌裂缝数量、最大弯矩及轴力都减小，但这种减小为非线性关系，当水压力降为0.21 MPa时已满足衬砌稳定支护的要求，故在实际工程中将衬砌上水压力选定为0.21 MPa左右，在实际施工过程中证明工程效果明显，节省了大量的人力物力。

3 结语

以我国首个大型水封石洞油库为背景，采用离散单元法，选取四种不同的排水工况，进行不同排水条件下衬砌稳定性的研究，得到结论如下：1)随着作用在衬砌上水压力的减少，衬砌稳定性增强，其裂缝数量、最大弯矩及轴力都减小，但此种减小为非线性关系；2)当该水压力降为0.21 MPa左右，衬砌已趋于稳定状态，此后弯矩、轴力减少趋势变缓，故在该工程施工过程中将排水后的衬砌水压力控制为0.21 MPa。该研究成果可为类似工程的排水支护提供理论和技术支持。

[1] 钱七虎.国家石油储备库应建于地下[N].科学时报,2007-03-14.

[2] 王梦恕,杨 森.地下水封岩洞油库是储存油品的最好型式[A].中国土木工程学会第十届隧道及地下工程分会第十三届年会[C].2004.

[3] Itasca Inc.Universal distinct element code user’s guide[M]. Minneapolis，Minnesota，USA：Itasca Inc,2005：10-25.

[4] 李术才,平 洋,王者超,等.基于离散介质流固耦合理论的地下石油洞库水封性和稳定性评价[J].岩石力学与工程学报,2012,31(11):2161-2170.

[5] 平 洋,王者超,李术才,等.地下石油洞库随机节理裂隙围岩水封性评价[J].岩土力学,2014,35(3):811-819.

[6] 高志华,何 真,赵 晓,等.利用磨细矿渣提高地下水封洞库喷射混凝土耐久性试验研究[J].长江科学院院报,2014,31(4):97-103.

Study on the stability of lining under different drainage conditions based on discrete element method

Liang Jianyi1Bi Liping2Liu Xiaoliang1Li Wei2

(1.HuangdaoOilReserveBaseLimitedCompany,Qingdao266426,China; 2.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

Based on the China’s first large underground crude oil storage caverns, through applying discrete element method it simulates primary masonry forms of the chamber during the construction period under different drainage conditions, the stability of lining under different drainage conditions is studied, and the value of water pressure on lining is determined. The research results have been used in the construction process, which proves the validity of the research in engineering practice.

water sealed cavern, discrete element method, lining, drainage condition

1009-6825(2016)24-0058-02

2016-06-18

梁建毅(1970- )，男，高级工程师； 毕丽平(1989- )，男，在读硕士； 刘晓亮(1986- )，男，工程师；

TU413.62

A