（岩土工程专业论文）锦屏一级水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究.pdf

锦屏级水电站地下厂房洞室群 围岩整体和局部稳定性研究 岩土工程专业 研究生：蒋峰指导教师：张建海教授 改革开放以来，我国国民经济迅猛发展，党和国家大力发展能源、交通等 基础设施建设，地下空问的开发利用前景十分广阔。水电工程由于位处深山峡 谷，大多采用地下厂房型式，地下厂房漏室群洞室密集，纵横交错，主体洞室 边墙高、跨度大，既要解决众多洞室在开挖过程中的围岩稳定问题，还要确保 其长期安全稳定运行。由于地下工程具有围岩力学性质和地质结构复杂、初始 地应力，地下水以及施工过程不确定等特点，目前还没有公认的围岩稳定分折 方法和安全评判标准。有限单元法对于解决非均质各向异性和以非线为主的岩 石介质具有良好的适应性，能处理具有复杂结构、复杂边界及荷载条件的问题， 已成为现代岩土工程计算的主流方法。 锦屏一级水电站位于四川省凉山州境内，是雅砻江干流上的重要梯级电站。 该工程采用地下厂房型式，共安装6 台单机容量为6 0 0 m w 的水轮发电机组， 地下厂房洞室群规模巨大，地质条件复杂，初始地应力水平高，围岩稳定问题 较突出。本文结合锦屏一级工程实际，采用弹塑性有限元法，模拟实际地形地 质条件，对地下厂区初始地应力场进行了反演，对地下厂房洞室群施工开挖过 程进行仿真模拟，关注地下厂房洞室群开挖过程中的位移、应力和塑性区的发 展变化，对围岩整体和局部稳定特性进行分析评价。本文取得的研究成果主要 包括： ( 1 ) 厂区初始地应力场的实测和反演计算成果表明，该初始地应力场是以 构造应力为主并叠加自重应力形成的高地应力场，构造应力作用方向主要是横 河向和竖向； ( 2 ) 揭示了该地下厂房洞室群围岩的整体稳定特性，目前的系统喷锚支护 参数基本能满足整体稳定要求。在高地应力、断层切割等多种不利条件下，开 挖完成后，厂房高边墙中下部破坏区深度较大，主厂房和主变室之问岩柱破坏 区接近贯通，尾调室中下部与尾水管交接处破坏较严重，应加强这些部位的支 护； ( 3 ) 由于安装间段受n 3 断层和裂隙密集带影响，围岩稳定问题突出，采用 “喷锚支护+ 钢筋混凝土衬砌”的复合式支护方案可基本解决此部位的围岩稳定 问题，但应适当加长安装间顶拱锚杆长度，减小边墙锚索间排距，并在边墙中 下部增加锚筋桩； ( 4 ) 采用残余荷载系数法对安装闻段混凝土衬砌迸行了内力计算分析并初 步确定了配筋率。 关键词：有限单元法地下厂房洞室群围岩稳定 a n a l y s i so fs u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yo fj i n p i n g u n d e r g r o u n dh y d r o p o w e rs t a t i o n m a j o r ：g e o t e c h i l i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：j i s n gf e n g t u t o r ：p r o f z h a n gj i a nh a i s i n c er e f o r m a t i o na n do p e n i n g , t h en a t i o n a le c o n o m yo f o u r c o u n t r yi sd e v e l o p i n gr a p i d l y o u rc o u n t r ya n dp a r t y 仃yb e s tt od e v e l o pb a s ee s t a b l i s h m e n t ss u c h8 se n e r g yr e s o u r c ea n d t r a 佑c 。 m a dt h eo u t l o o ko f u t i l i z i n gu n d e r g r o u n ds p a c ei sv e r yp r o m i s i n g m a n yl a r g es c a l eh y d r o p o w e rs t a t i o n so fo u r m 由_ ya r eb u i l ti ng o r g e sa m o n gh i g h m o u n t a i n sa n ds o m eo ft h e ma d o p tt h et y p eo fu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e t h e1 7 2 v e n l so ft h e u n d e r g r o u n dp o w e r h o u s ea r ec r o s s i n ga n dt h es i d e w a l l so ft h em a i nc a v e r l ba r eh i g ha n dt h e s p a n so f t h em a i nc a v e r n $ a r ew i d e t h es t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c ki sv e r yi m p o r t a n tb o t hi n t h ec o u 雠o fe x c a v a t i o na n di nt h ep e r i o do fr u n n i n g t h eu n d e r g r o u n dp r o j e c ti n c l u d e ss o m e c h a r a c t e r sa sf o l l o w s ：t h em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dg e o l o g i c a ls t r u c t u r eo f t h em o u n d i n g c k i sc o m p l i c a t e da n dt h ec r u s t a ls t r e s sf i e l d , u n d e r g r o u n dw a t e ra n dt h ec o u r s eo fe x c a v a t i n gi s u n c e r t a i n e t c u pt on o w , t h e r eh a s n tb e e nc o m m o nm e t h o da n dc r i t e r i o no f t h es t a b i l i t yo f t h e s u r r o u n d i n gr o c k j i n p i n gh y d r o p o w e rs t a t i o n i sl o c a t e di nl i a n g s h a nc o u n t r y , s i c h u a np r o v i n c e ，a n dh a s 3 6 0 0 m wp o w e rc a p a c i t y t h ep r o j e c ti sb u i l tf o r e l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n a c c o r d i n gt ot h e c o n d i t i o no f t h ej i n p i n gp r o j e e t , t h es t a b i l i t yo f t h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e ss u r r o u n d i n gr o c k i ss t u d i e da n de v a l u a t e db y 璐i n gn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o df f z m ) a n da t t e n d i n gt ot h e c h a n g eo f d i s p l a c e m e n t , s t r e s sa n df a i l u r ea r e a t h ea c h i e v e dm a i nc o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec r u s t a ls t r e s sf i e l di sah i 9 1 lo n ew h i c hf o r m e d w i t hg r a v i t ys t r e s sa n dt e c t o n i cs t r e s s ， a n dt h et e c t o n i cs t r e s si sd o m i n a t i n g t h eo r i e n t a t i o no ft h et e c t o n i cs 竹e s si sc r o s sr i v e ra n d u p r i g h t ( 2 ) i nt h ew h o l e ，t h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s ei ss t a b l ew i t h s p o u t i n gc o n c r e t ea n c h o r a g es u p p o r ta f t e re x c a v a t i o n w i t ht h ec o n d i t i o no fh i g hc r u s t a ls t r e s s a n dc o m p l i c a t e dg e o l o g y , t h em a i nf a i l u r ea g e a sa g ed i s t r i b u t e di nt h eb o t t o ms i d ew a l l ，t h er o c k p i l l a rb e t w e e nt h em a i nh o u s ea n dt h em a i nt r a n s f o r m e rh o u s e , t h eb o t t o ms i d ew a l lo f t h es u r g e c h a m b e ra d j a c e n tt ot h et a i l r a c et u n n e l ，w h i c ha r eo u g h tt ob er e i n f o r c e df u r t h e r ( 3 ) w i t ht h ei n f l u e n c eo ft h ef a u l t1 3a n df i s s u r e s ，t h es t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c ko f t h ee r e c t i o nb a yi so u g h tt ob ep a i da t t e n t i o nt o i no r d e rt oi m p r o v et h es t a b i l i 饥t h el o n g e r a n c h o rb a r sa n dt h ed e n s e ra n c h o rc a b l e sa r et ob eu s e di nt h i sa r c & m o r e o v e r , s o m ea n c h o rp i l e s a l et ob ec o n s i d e r e d ( 4 ) t h ei n t e r n a lf o r c eo ft h ec o i l c r e t ei i n m go ft h ee r e c t i o nb a yi sc a l c u l a t e du s i n g r e m a i n d e rc o e f f i c i e n tm e t h o da n dt h ea p p r o x i m a t er e i n f o r c e m e n tr a t i oi sr e c o m m e n d e d k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，u n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e ，s t a b i l i t yo f m o u n d i n gr o c k 四川大学硕士学位论文 1 概论 1 1 论文选题的依据及意义 改革开放以来，我国国民经济迅猛发展，党和国家大力发展能源、交通等 基础设施建设，地下空间的开发利用发展迅速。随着我国实行西部大开发和西 电东送战略以来，一大批重点骨干电站工程陆续开工建设或开始了前期勘测设 计工作，这些大型水电工程由于地处深山峡谷，大多采用地下发电厂房型式。 我国己建的二潍、鲁布格、十三陵、小浪底、大朝山，在建的溪洛渡、龙滩、 向家坝、小湾和锦屏等工程，正朝着单机大容量、厂房洞室大跨度、洞室开挖 大规模的超大型化方向发展。对于这种大型地下洞室群，不仅需要解决好众多 洞室在开挖过程中的洞室围岩稳定问题，还要确保地下厂房能长期安全稳定运 行。近二十年来，由于山岩掘进施工技术的不断发展和新奥法技术的广泛采用， 地下洞室的研究理论、研究方法和手段逐步改进，工程经验逐渐积累，为大型 地下洞室群的设计、施工奠定了良好的理论和实践基础。由于围岩地质结构的 复杂性，地应力、地下水、岩体力学参数的不确定性，目前还缺乏合理有效的 洞室围岩稳定分析及判别的方法，没有公认的量化安全指标。 锦屏一级水电站是我国近期开工建设的巨型电站工程之一，是西电东送的 骨干电源点，电站工程规模大、技术难度高。该电站采用地下厂房型式，地下 厂房洞室群围岩岩性主要为厚层状大理岩、角砾状大理岩并夹有绿片岩透镜体， 围岩以n i l 类为主，厂区发育有f 1 3 、f 1 4 断层和节理裂隙等地质构造；厂区 实测初始应力最大主应力约3 5 7 m p i ，属高地应力场；地下水较丰富，p d 2 7 实 测涌水量达5 0 1 s 。受岩体质量、地应力和裂隙岩体渗流的影响，地下厂房洞室 群的围岩稳定问题突出。 针对锦屏一级水电站地下厂区围岩类别较低、构造发育、地应力水平高、 地下水丰富以及洞室群规模巨大等实际情况，采用弹塑性有限元法，对锦屏一 级水电站地下厂房洞室群的施工开挖过程进行仿真模拟，对地下厂房洞室群的 整体和局部稳定性进行研究，并对影响地下厂房洞室群围岩稳定的洞室群布置、 施工开挖顺序、支护参数等进行评价，研究成果直接为工程服务，从而指导工 程设计和施工，对保证工程的安全运行和提高经济合理性具有重要意义。 四川大学硕士学位论文 1 2 洞室群围岩稳定国内外研究现状和发展趋势 岩土工程有其自身的特点，前国际岩土工程学会主席c f a i r h u s t 先生曾作 过较全面的总结，他认为岩土工程的主要特点是： ( 1 ) 地质条件和地质构造的复杂性( 三维空间的非均质性和不连续性，并分 布有软弱夹层、断层、裂隙及层间错动带等) ； ( 2 ) 具有预应力“结构特征( 主要是压应力，在开挖时引起卸荷或加载) ； ( 3 ) 空间和时间的变化范围大； ( 4 ) 岩体的强度和变形未知，“峰值后”的性质至关重要； ( 5 ) 流体和固体的祸合效应使得问题更加复杂； ( 6 ) 具有可变性和不确定性。 鉴于上述特征，注定了地下工程问题是个“数据有限的岩石力学问题”。 由于围岩地质结构的复杂性，地应力、地下水、岩体力学参数的不确定性，目 前还缺乏合理有效的洞室围岩稳定分析及判别的方法，没有公认的量化安全指 标。 目前，岩土工程的研究方法可归纳为网： ( 1 ) 岩石和节理的室内实验：可以在受控的加载条件下，确定岩样和节理 的形态。其方法的局限性在于，岩体的刚度和强度通常较实验室岩样实验所得 的值要小得多，如何将实验室的结果推广到原样岩体的形态，特别是大范围的 各向异性的岩体，其规律尚不清楚。原样的性态往往为各种尺度上的不连续性 质的非均质扰动所控制。 ( 2 ) 物理模型实验：用一定比例的小模型控制加载以模拟原型的响应，可 以考虑不连续面和三维复杂形状。但是，模型的力学性质和原型结构的力学性 质之间的相似关系不清楚，峰值后的非弹性形态很难模拟，研究费用也不低。 ( 3 ) 现场量测和实验：确定原始地应力场，检查开挖的变形情况和稳定性， 找出分析中没有给出的危险结构，根据所观测到的数据来确定岩石的强度参数。 其方法的局限性在于，所需费用太高，不可能做大范围、大批量实验，而依据 量测数据进行的反分析结果取决于所假定的力学模型，对非线性参数其结果不 是唯一的。 ( 4 ) 经验分类系统：基于大量已有实例，估计岩石特性对岩层条件、支护 型式等的影响。但是，对基本的变形和稳定性的机理一般无法确定。 2 四川大学硕士学位论文 ( 5 ) 数值模拟技术：近二十年，在计算机硬件不断更新的支持下，数值模 拟技术发展非常迅速，许多现实复杂的力学模型和边界条件都可以用计算机进 行模拟。数值模拟技术有助于( 1 ) ( 4 ) 所述传统方法的进一步发展，因此具有较 好的发展前景。 目前，岩石力学的数值分析方法主要包括有限差分法( f d m ) 、有限单元法 ( f e m ) 、块体元法、界面元法、随机有限元法、边界元法( b e i v o 、离散元法( d e m ) 、 拉格朗日元法( l e m ) 、不连续变形分析法d a ) 、无单元法( e f i v 0 、流形元法 ( m e m ) 等。各种方法由于侧重点不同而各有特色，但所有方法所依据的力学基 本方程是一致的。 有限单元法，由于对非均质各向异性和以非线性为主的岩石介质具有良好 的适应性以及开放式、功能强大的处理软件的开发，已成为现代岩体工程计算 的主流方法。有限单元法在岩石力学中的应用正朝着大规模网络并行计算和解 决岩石力学具体的专门问题方向发展。对岩体的描述也从单一的分区均质模型， 发展到可考虑软弱夹层、错动带、节理裂隙，大变形、岩体移动以及弹塑性、 粘弹塑性、断裂损伤等等基于岩体的复杂性，结构面众多，计算工作量大， 从而又引出其它类型的数值分析方法，由于受岩体本身的众多未知因素的影响， 各种方法主要是作为大范围宏观定性的分析和局部已知问题处理的辅助分析工 具。从分析中得到各种物理过程的宏观了解，从而为工程师提供有价值的参考 信息，使工程师可以根据预计的条件进行设计，并随时根据外界条件的变化有 准备地修改设计。设计成功与否在于工程师能否对变化的客观条件有足够的把 握。 地下洞室群的理论研究仍然落后于工程实践，尽管岩体力学在其相关学科 交叉渗透下，业已形成了一门新的学科，而且在分析地下洞室群围岩的稳定性 和优化设计的理论、方法也有了很大的发展和提高，但由于岩体本身几何组成、 介质特性和受力的异常复杂性，地下洞室群的分析仍受控于建模的仿真度和有 关参数以及岩体初始状态确定的精度。对于地下洞室群岩体结构而言，存在问 题更多，其主要外载环境( 地应力与渗透压力) 的确定至今仍是相当粗糙的，尽 管可以通过实测信息反演推求，但其准确度依然不尽人意。其次，岩体工作性 态的复杂性，依靠现有科技手段尚不足以充分揭示，这是由于岩体不能仅作为 一种纯粹“材料”看待，它尚有“结构”的特征，即使可简化为材料看待，所拟合 四j i i 大学硕士学位论文 的本构关系也依赖于本构式中若干参数的确定，而这些参数要精确选定也绝非 易事。再者，地下洞室群施工过程中结构、介质和外载的时空动态变化也给计 算分析增添了不少难度，而且还提出了许多因素( 如洞型、洞室间距、加固参数、 施工顺序等) 的优化新课题，此类问题的优化往往又是多目标多约束的极值难 题。最后，关于地下洞室围岩稳定评判准则至今也尚未达到完善成熟的阶段， 从稳定的定义、量化的判据到分析的理论、准则和方法等一系列基本问题均尚 未形成明确的系统，因而围岩稳定性的定量评价还在进一步探讨。以上存在问 题的提出，促使人们一方面利用一些软科学手段( 如不确定分析方法，系统分析 方法，全局优化方法，综合智能方法等) 寻求新的蹊径；另一方面仍然重视实验 的研究，一些大型工程均投入可观经费进行相当规模的现场试验和模型试验， 以保证获得可靠的数据作为地下洞室群设计与施工的依据。 地下洞室的围岩稳定依生产领域及使用要求的不同，可能有不完全相同的 概念。一般来讲，围岩不稳定是指其妨碍了生产安全使用的围岩破坏或过大变 形现象。地下洞室的稳定问题常涉及稳定阶段、破坏阶段，破坏后阶段，常常 表现为大变形、流变，软化或突变破坏。对于具体实际工程，影响洞室稳定因 素的重要程度可能有所不同，所以很难建立统一的标准来判断其是否稳定，而 是常使用不同的手段来衡量地下洞室的稳定性。目前国内外常用的稳定分析方 法有： ( 1 ) 定性经验类比：主要有成因历史分析法工程类比分析法、专家系统 等方法，应用这些方法进行洞室稳定分析与设计实际上是一个定性研究过程， 它的结论是一种比较客观的评价标准，同时它也为数值分析提供合适的控制判 据。 ( 2 ) 安全系数法：安全系数法是一种历史悠久而目前仍最普遍应用的定量 评价方法，由于安全系数是许多因素共同作用下的一个函数，这些影响因素在 具体计算中有其不同的选取标准和计算方法，以及人们对它们认识的深刻准确 程度等，因此在对安全系数取值的标准上存在着一定的差异，甚至很大。 ( 3 ) 可靠度，稳定度或破坏概率：通过引进概率论模糊论，混沌论的原 理和方法来分析洞室的稳定性，避免了安全系数法使用过程中的绝对化，只要 破坏概率足够小。小到人们可以接受的程度，就认为是安全可靠的 “) 岩体的位移，应力、强度塑性区等：岩体变形是其稳定性最明显， 4 四j i l 大学硕士学位论文 最直观的反映，根据允许的岩体变形有关参数来评价岩体稳定程度是一种概念 比较明确直观的判据，通常是利用岩体位移量不能超过工程所允许的位移量 或残余变形不能继续增大或塑性区不再扩大来判断岩体是否稳定。通过现场监 测，物理模拟及数值模拟等方法，可以获得有关围岩特定部位的位移量、位移 速度，位移方向及应力大小，方向及它们的空间分布塑性区或破坏区的大小 等。在工程实践中，人们主要是通过现场监测，选择一些特征部位进行设点监 测，然后利用现场监测所获得的上述一个或多个参数的值来判断岩体的稳定性。 ( 5 ) 干扰能量：该判据的原理是基于稳定性分析的能量准则，它以研究对 象受干扰后产生的干扰能量值作为判据来考察研究对象是否稳定。 到目前为止，地下工程的稳定性问题，主要的发展方向还是朝着计算精细 化方向发展，包括计算规模超大型和弹性、塑性、粘性、开裂、破坏、破坏后 软化、突变等全过程模拟。工程中的局部化问题尤为突出，已经引起了国内外 学者的广泛兴趣，连续变形和不连续变形的交叉，局部分叉失稳，岩体界面的 流变软化、局部失稳已成为岩体较为普遍的破坏形式。 1 3 工程概况和研究内容 1 3 1 工程概况 锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻 江干流上的重要梯级，为雅砻江下游的“龙头冰库电站。该工程规模巨大，主 要任务是发电，并兼有结合汛期蓄水减轻长江中下游防洪负担的作用。电站装 机容量3 6 0 0 m w ，保证出力1 0 8 6 m w ，多年平均年发电量1 6 6 2 亿k w h ，年利 用小时数4 6 1 6 1 1 。水库正常蓄水位1 8 8 0 m ，死水位1 8 0 0 m ，正常蓄水位以下库 容7 7 6 亿m 3 ，调节库容4 9 1 亿o ，属年调节水库，对下游梯级电站的补偿效 益显著。 锦屏一级水电站枢纽由挡水建筑物、泄水及消能建筑物和引水发电建筑物 等组成，坝址位于普斯罗沟与手爬沟间1 5 k m 长的河段上电站地处深山峡谷 地区，地形地质条件复杂，工程规模巨大，技术难度高。电站挡水建筑物采用 混凝土双曲拱坝，坝高达3 0 5 m ，为世界第一高拱坝；电站采用“坝身开孔+ 泄 洪洞”的泄洪布置方案，坝后设水垫塘和二道坝：电站装机容量3 6 0 0 m w ，共安 四川大学硕士学位论文 装6 台6 0 0 m w 的水轮发电机组，采用地下厂房型式，引水发电系统布置在右 岸山体。 锦屏一级电站地下厂房洞室群主要由圭、副厂房、主变室、尾水调压室、 压力管道、尾水洞、母线洞、出线井等组成，是整个枢纽工程的重要组成部分， 直接影响到工程投资和施工工期。厂区地下洞室群洞室密集，规模巨大，主体 洞室边墙高、跨度大，施工条件复杂。 经不同厂房位置和纵轴线方案研究，确定地下厂房布置于拱坝坝线下游约 3 3 0 m 的右岸山体内，确定厂房纵轴线方位为n 6 5 0 w 。经过洞室围岩稳定、机 电设备布置、水工结构要求、运行维护条件及经济性等方面的综合分析比较， 确定了主变室布置于厂房和尾水调压室之间的三大洞室平行布置格局，尾水调 压室中心线和厂房顶拱中心线间距为1 4 5 m 、主变室和厂房间岩柱厚度为4 5 m ( 吊车梁以下) 的间距方案。根据引水发电系统各建筑物的功能要求，布置有 6 条压力管道、6 条母线洞、6 条尾水管、2 条尾水洞及2 条出线井等附属洞室， 从而形成以三大洞室为主体、纵横交错、上下分层的地下厂房洞室群。主厂房 断面采用圆拱直墙型，顶拱开挖跨度为2 9 2 m ，最大洞高6 8 8 m ，厂房全长 2 8 5 2 m ；主变室断面也为圆拱直墙型，开挖跨度为1 9 3 m ，最大洞高为3 2 5 m ， 全长2 5 5 m ：共设2 个圆筒型调压室，开挖直径4 1 m ，洞高8 0 m 。地下厂房洞 室群布置示意图见图1 1 。 1 3 2 论文研究内容 锦屏一级水电站地下厂房洞室群围岩岩性主要为厚层状大理岩、角砾状大 理岩并夹有绿片岩透镜体，围岩以l i l l 类为主，具备成洞条件。厂区主要发育 有f 1 3 、f 1 4 断层和节理裂隙等地质构造。厂区初始应力场实测最大主应力约 3 5 7 m p f i t ，方位n w 4 6 0 ，倾角2 6 0 ，属高地应力场。 受岩体质量、地应力和裂隙岩体渗流的影响，地下厂房洞室群的围岩稳定 问题突出。本工程地下厂房洞室群具有如下特点： ( 1 ) 地应力水平高，实测最大主应力达3 5 7 m p a ，属高地应力场，围岩岩性 为大理岩，抗压强度不高，围岩强度应力比低； ( 2 ) 围岩类别较低，以1 1 1 1 类为主，部分i i l 2 、i v l 类； ( 3 ) 地质条件复杂，断层、裂隙发育，f 1 3 和f 1 4 断层横贯厂区，安装间侧 6 四川大学硕士学位论文 图1 1 锦屏一级电站地下厂房洞室群布置示意图 裂隙密集带发育； ( 4 ) 地下水活跃，p d 2 7 实测涌水量达5 0 ； ( 5 ) 洞室密集，上下分层，纵横交错，主体洞室边墙高、跨度大。 采用弹塑性有限元法，根据确定的三大洞室型式、断面尺寸以及厂房位置， 模拟地下厂房洞室群实际洞体结构( 包括吊车梁等) ，模拟右岸厂区实际地形、 地质条件( 包括各岩流层和各类结构面等) ，选取合适的地质力学参数，施加初 始地应力和渗透荷载，模拟地下厂房洞室群的实际开挖顺序和支护措施，建立 大型地下厂房洞室群围岩稳定性的评价方法，确定锦屏一级水电站地下厂房洞 室群合理的围岩系统支护参数和局部加固处理措施。具体研究内容如下： ( 1 ) 厂区三维初始地应力场研究 根据右岸地下厂区的初始地应力实测点分布和测值情况，模拟右岸厂区实 际地形、地质条件( 包括各岩流层和各类结构面等) ，选取合适的地质力学参数， 建立大范围的三维初始地应力场反演回归分析模型，对右岸厂区初始地应力场 进行反演回归。结合枢纽区实际地形和地质条件，综合初始地应力实测成果和 回归成果，全面分析锦屏一级水电站厂区初始地应力场分布规律和成因 ( 2 ) 地下厂房洞室群围岩系统支护参数和整体稳定性研究 7 四川大学硕士学位论文 模拟右岸厂区实际地形、地质条件( 包括各岩流层和各类结构面等) ，选取 合适的地质力学参数，充分考虑支护结构与岩体介质的相互作用机理，合理模 拟围岩与锚固系统的协调性，建立大型地下厂房洞室群围岩稳定性的评价方法， 正确评判地下厂房洞室群的整体稳定特性。 ( 3 ) 安装间段断层破碎带局部稳定性与局部加固措施研究 安装间部位节理裂隙发育，岩体破碎，属w 1 类岩体，集中涌水，初步采 用喷锚支护与钢筋混凝土衬砌相结合的复合式支护。细致模拟安装间段f 1 3 断 层和裂隙密集带，合理选用力学参数，正确模拟结构面的力学行为，建立围岩 局部稳定的评价指标和评价标准，对安装间段断层破碎带的局部稳定性和加固 措施效果进行合理评价。采用数值分析方法，考虑围岩自承能力和各种因素可 能变化的影响，对安装问部位混凝土衬砌的内力进行计算，并提出配筋率。 四川大学硕士学位论文 2 弹塑性有限元基本理论和计算方法 从2 0 世纪中叶起，有限单元法被引用到岩石力学领域后，隧洞衬砌与 围岩始被看作一个完整体来分析，开创了隧洞力学分析的新阶段 2 1 。 在洞室开挖过程中，围岩应力集中或材料强度较低的部位将首先出现开 裂或塑性破坏，由此导致这些部位承载能力下降，超过其承载能力的部分荷 载( 超余应力) 将转移至附近岩体单元，井可能引起附近区域单元破坏。因此， 围岩变位、应力及破坏是一个不断调整最终趋于稳定( 收敛) 的渐进过程，弹 塑性有限元法能较真实地模拟分析这一客观过程。 2 1 有限元法基本原理【1 】 2 1 1 位移模式和形函数 通过坐标变换，可以将三维空间任意曲面六面体变换为局部坐标系( r s t ) 中六面体，其变换式为： x ( v ，f ) = m ( ，f ) 置 t = l y ( ，f ) = m ( ，f ) z i = l z ( ，) = l ( ，) z j 式中；卜单元节点数 x i ，y i ，z i 一基本坐标系( x y z ) 下单元节点坐标值 n i ( r ，s ，t ) - - 单元形函数 单元中任意点位移与节点位移的关系为： u c r ，s ，f ) = m ( ，f ) u t = l v ( r ，j ，f ) = n s ( r ，j ，f ) 矿 t = l w ( r ，s ，f ) = m ( v ，t ) w t l = l 式中：u i ，w i 一单元的节点位移 9 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 婴型查兰堡主兰竺丝苎二 各角点形函数可以描述为： l = ；( 1 州x l + 叩卅v ) ( i = l 8 ) 2 1 2 几何关系 由几何方程可得任一点的应变位移关系为： 缸 缸 卵 砂 却 a z 缸加 砂缸 加却 一一 出 勿 a w 知 缸 ；【8 玲。 其中：陋】- 协b 2 ，岛j p 。 = 妙，巧，u 肌， b 】= 纠= a n f 出 0o o 掣。 砂 oo 掣 盘 a 。 勿 o a 盟。 缸 o n , 0 a 匆 烈 缸 昆1f a l 石li i 鱼l ： 丛 西ii 西 玉iia l 磊jf 1 0 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 石 q 互乙；瓦 k e ；墨五；k 孰 一 巩i 巩i 砒百 勿一毋砂一西砂一西 四川大学硕士学位论文 2 1 3 单元刚度阵 由广义虎克定律得应力一应变关系为： p = 【d 始 其中：斜= k 勺# ：，。 7 p = p ，q 巳kr 。 p j 为弹性矩阵 由虚功原理可得出三维单元刚度阵为： k 。】= 删陋n d i b p ；d ，吒 由三维高斯积分公式得： k c l ：窆窆窆缸n d p l 川形 2 1 4 单元荷载向量 工程上常见的荷载有；集中荷载，面荷载和体力。在有限元计算中，需 将实际荷载按静力等效原则进行转化，处理方法如下： ( 1 ) 体力 单元在体力强度分量q x ，q y ，q z 作用下，由虚功原理得单元等效结点力 为： 。 妒 = i r 侄qj 办2 喜喜喜【： 。 坩酗既 p 埘 ( 2 ) 面荷载 设边界面的分布力强度为： = f l f 小以= 喜喜p 阱野_ t ， c 为法线方向矢量模，可描述为： 力 钟 隆 p 弘 四川大学硕士学位论文 c = g x b = 陬a i z 乏主l = 以+ 4 ，+ 如 c z t z ， q = 鲁u y = 考q = 言以= 塞b = 謇屯；塞 q 2 石2 言 q 5 石以2 面2 言也5 面 2 2 含节理裂隙岩体计算模型 岩体在长期的演变过程中，形成了各种各样复杂的软弱结构面( 断层、 夹层、节理、裂隙等) ，破坏了岩体的连续性，改变了岩体的应力一应变状 态。由于结构面是岩体中力学性质薄弱的部位，因此在很大程度上，结构面 决定着岩体的结构特征和力学特征。从工程观点出发，往往十分强调这些软 弱面的影响，并且认为工程中对岩体特性起决定性影响的是岩体中的结构面 或岩体的构造特性。 。 含断续节理裂隙岩体的强度呈现出明显的方向性，即沿裂隙面方向的强 度参数低于其它方向，根据围岩不同部位主应力张量与节理裂隙面产状的相 对方位关系，岩体可能呈现沿某组节理裂隙方向定向破坏，也可能沿非裂隙 面方向破坏，为此，本文采用遍在节理包络强度模型模拟岩体材料，该强度 模型由以下两个方面构成： 2 2 1 沿优势裂隙面方向定向破坏条件 由整体有限元计算围岩的应力场盯， 角为屈。该组裂隙法向的方向余弦为； l j2 c o s 属c o s 口菇l m i = c a 3 s 屈s i n c t 村 n l = s i n 屈j 设某组节理裂隙方位角为q ，倾 ( 2 - 1 3 ) 式中口。为q 与x 轴正方向之间的夹角，则裂隙面上坐标应力为： t = 0 1 1 ( 2 - 1 4 ) 裂隙面上的正应力和剪应力分别为： 四川大学硕士学位论文 呻r l o r 2 疗g 辟j = 孵j 沿裂隙方向的破坏模式可能里两种情况： ( 1 ) 若盯。 c j + o r n f j( 2 - 1 8 ) 式中c j ，f j 为沿裂隙面方向综合抗剪强度参数，由“阻力面积加权平均 法”近似推求，即： 一 生乏l f ( 1 叫弦 (2-19)c1 i = 筘 + - r t ) c f 7 式中与，q ，c 分别为节理裂隙面与岩桥的抗剪强度指标。 2 2 2 沿非裂隙面方向破坏准则 若岩体不发生沿节理裂隙方向破坏，即( 2 1 6 ) 及( 2 1 8 ) 式不成立，进丽复 核沿岩体非裂隙面方向强度。 按低抗拉弹塑性模型分析，岩体材料开裂条件用宏观强度描述： 盯。 r t ( i 2 l ，2 ，3 )( 2 - 2 0 ) 式中盯i t 表征三个主应力，分析中可能呈单向、双向及三向开裂情况， 由程序自行校核并进行刚度修正。 判断岩体是否进入塑性状态，工程上常用d r u k e r - p r a g e r 准则判别： f=dl+4j2一k(221) 式中：i i 为应力张量盯h 的第一不变量，i i = 以+ 仃y + 吼= 气：毛为 1 3 四川大学硬士学位论文 单位张量；j 2 为应力张量仃。的第二不变量： j 2 - - - - ；眠1 ) 2 + ( o y - - + ( 吒q ) 2 】= 圭s ( 2 -