二滩洞室群围岩稳定FEM及相关问题

二滩洞室群围岩稳定分析FEM及相关问题摘要：FEM是目前许多行业数值计算的主要方法。本文结合二滩地下厂房洞室群的围岩稳定分析，主要讨论了进行大型有限元建模及计算时的相关问题，并对洞室群的围岩稳定进行了力学分析，给出了围岩整体是稳定的结论。关键词：FEM；围岩稳定；相关问题0前言许多工程分析问题，如固体力学中位移场和应力场分析、热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等，都可借助于计算机数值模拟技术来求出它们的数值解，其中有限单元法（FiniteElementsMethod，以下简称FEM）是工程中最常用的数值模拟技术之一。本文结合二滩水电站地下厂房洞室群的围岩稳定分析，对使用有限元软件进行大规模数值模拟计算时的相关问题进行探讨，给出了建议。1建模与有限元网格划分1.1工程概况二滩地下厂房洞室群设置在左岸下游的山体内，上覆岩体厚度为250~350m，水平埋深300m，洞轴线方向NW6°。洞室群所在区域主要为正长岩和蚀变玄武岩，围岩岩体有80％质量达到A,B级。地下厂房洞室群由三大洞室和母线洞以及尾水洞组成。其中主厂房：长×宽×高＝280.29m×25.5m×65.78m；主变室：214.9m×18.3m×25.0m；尾调室：203.0m×19.8m×69.8m。主厂房主要采用喷锚支护，在主副厂房和尾调室高边墙采用了一定数量的预应力锚索。地下洞室群水平区域布置如图1。1.2建模一般的有限元计算，70%~80%的时间花在建立模型上面，因此选择合适的建立模型的方法是很重要的，否则将有可能事半功倍。二滩洞室群位于地下，结构复杂，操作起来比较困难。为此把大模型分解为许多很小的模型，划分单元以后再把它们拼装成一个大的模型；并且不能把它们合成一个整体，否则将无法划分单元。具体的作法是：先建立洞室群的模型，然后在长、宽、高方向上分别向外延伸，形成一个长×宽×高=404.2m×283.7m×185.3m的巨大岩体，用该岩体挖去洞室群，就是所需要的模型。由于有限元软件的自适应网格划分功能只能划分规整的模型，如六面体或规则的棱柱体（如三角棱柱体），而地下厂房洞室群则是纵横交错，极其不规则的，建模难度可想而知。经过不断的修改和试验，最终建立的模型共有3647个体组成。尽管如此，本文模型与洞室的布置相比，还是进行了一些简化，主要有：（1）出于单元形状不致过分奇异以及单元数量方面的考虑，忽略了尾调室和主变室之间的夹角，将它们的轴线设为平行。（2）由于仅考虑三大洞室及其之间的围岩变形与破坏，忽略了进水洞和两个尾水洞。（3）忽略了洞径较小并且仅有局部影响的施工支洞、交通洞、电缆斜井和排水廊道等。建模过程中，需要注意的有以下几点：对模型内部操作（如空洞）时，可以先生成空洞部分，再和外部模型体组合成所需要的模型。对于任何体的某一个面，都应当是凸多边形（即图形必须在任何一边或其延长线的一侧），且其边数不应超过4，否则将会出现拓扑错误，无法划分单元。合并重复的实体图元，如相同位置的两个关键点或线，以节省存储空间。不能出现扭曲的面，但允许是弧面。1.3网格划分免此工程模臂型中间是扁地下厂房妻的洞室群辉，为此，蚁先给洞室暂群部分划涨分单元，雷然后给厂拖房邻近的淹模型体划错分单元，恼这里要注后意的一点呀是要保证雅它们的接倚触部分的童节点能够券吻合。最筋初采用的翠是四面体宰单元，之泻所以使用饮该种单元名，主要是个它的自适末应划分能游力较强，渐比较适用擦于这种复累杂的模型蜜。但是当泥划分网格揪完成后，输单元数量蝇过多（驻达愈1宜0冰万多个）元，并且出榨现一些非爪常小的尖帅角（小议于贡1建5讨度），对早应的矩阵狱难以收敛途，故更改壁为盗6电面烈体师8聚结点单元雕。又做了丽一些简化违，并调整浪单元长度筛，最终划损分单誓元盲3422摄4匆个，结点稻数量犹为鱼3763忌2呆个，计算稀规模仍然死是十分巨慈大的（划洲分单元后铸整体模型势如钉图沸2均，洞室群您部分模型烟如担图慈3必）。晴在划分单盆元时应注馆意的问题尘：谁必须要保渣证所划分仆的单元和波邻近体的化单元能够驱吻合，即越使不能完站全吻合，卵也要使误暑差控制在展一定的范释围内。失划分单元台完成后，服应合并整阶个模型的炮所有节点杜。否则，晨由于模型绢是各个独竞立的体，狂加荷载计逗算后，在期体与体的形结合处将蹄会出现开舍裂。寺压缩关键忽点、线、话面、单元猛、节点等就编号，以赤提高运算格效率，节从省机时。匙在应力集框中的地方排单元网格钟密度适当消加密；反墙之，则可割以加大划芝分单元的扫边长，以漆达到不致云太多的影默响计算精姨度，又提钱高了计算光速度。奉2粱灭地应力回纤归计算塌地下洞室糟的开挖过串程是地应闪力逐步释批放的过程迅。在本工柄程中，主住要采用应继力函数法叛和有限元筹分析法相柴结合师[1]唇。具体做盏法如下：骨第螺1捐步：在计判算模型边敬界的某些爷点处试探洽施加给定迹位移得到童参考计算顺结果；然炎后采用应锋力函数法航在有限元膏模型的范谁围内进行娱回归。回奋归计算中巷，顾及上冤述参考结勺果以及实士测测点应烂力的最大腔、最小和它平均值，童在计算模寄型的边界广上设定若锤干点的应厘力分量的法值，并使脆这些边界鹿条件同时泛参与回归黄计算；进头而得到在莲建模范围盖内地应力倾的社第少1兆步近似结末果。测 仁第见2劈步：利用卸第右1跑步的结果术计算出在撕建模边界源上所有单该元结点的焦应力，采安用类似边妈界荷载调牢整法的做屡法把它们查作为远场贸外荷载施这加到有限抬元模型的牺边界上。猎此时由于钟边界荷载或采用的是芹满足弹性搬力学中变检形协调方款程和平衡焦方程的应普力场所求股得的，边青界上的正卡应力和剪胜应力可以凡共同保证腐构成平衡链力系，并依且解决了标求剪应力律场所遇到英的困难。伶利用上述活远场边界血荷载，借惕助有限元乎程序计算歇建模范围左内的地应娃力，然后疯将此结果雪在实测地屋应力的测仅点上与实滋测地应力浊进行比较客，并且考餐虑在洞室裕群范围内妻地应力的缩分布情况壶结合工程协概念考察苗回归计算思结果的合末理性。根肌据所得到摧的趋势，击调整在删第强1败步计算中伏施加在边幻界上的有势限各点的似力学边界劣条件，再卵次回归计咸算内部各闭点的地应都力，并由蛙此获得全删部边界上煎由远场位帆移所引起纳的所有应茶力分量。叉依确重复以上辆两步的分督析计算，华直到得到象满意的应绩力场为止云。才3递赔围岩稳定绢计算结果沸分析及相碍关问题拔3毯.凉1靠酷破坏准则翠与本构模扭型窑在本次计舒算中，采瞒用双参数霜准则中陷的湿Druc侵ker-野Prag斜e净r占准则来判勾断复杂应祖力状态下缓岩体的破喷坏。该准该则贞是坊Mise个s橡准则的推创广，因此猾又被称为盾广当义根Mise叔s除准则栽[2]样。该准则阵认为，处挖于弹性区际的应力满私足制式射(摩1)深时，则认愁为岩体处钥于破坏的韵临界状态估。妨同戴 成 傲 苗原展 经刊钱 苏 必（缺1消）其中：（2）错哄月却约御搂伞幸添（余3签）溪C卖,迹φ可分别为凝掩聚力和摩字擦角；晌R预c悠为单轴抗巧压强度。庆当岩体材呢料处于弹畅性阶段时派，其本构翼关系为：炉焰辩涝爱吴泪撤孙绒着伯伶（您4震）蔑其中：醋为弹性矩物阵，闯分别为应百力矩阵和妄应变矩阵锦。痕当材料进硬入塑性以艘后采用增炭量理论的碰本构模型顿。即认为智总应变增额量戒可以表示饭为弹性应戴变增量躺与塑性应脆变增量摘之和柄：航猛。们3车.骆2昂岔围岩破损插区分布特雹征及位移拍特性献在施工期刻间，二滩变水电站地歌下厂房愿的艘1贫号尾水洞遍和涌2日号尾水洞压之间曾发躺生过岩爆村及塌方，疑故馋取赔2浆号机组所糟在的横断手面作为破报损区的示镰意图各[3]郑。由毯图刃4漂可以看出培：塞1势）横断面死上破坏主锅要集中在脊主厂房下兔游边墙嫁1缴号取和重2善号两个母季线洞之间傲，对应的量两个尾水锈洞之间，牵以及主变膛室上游边木墙对应的嫩两个母线番洞之间的陕部位，这示与该处的使地应力较拳大及结构妄复杂有关保。纺2亏）母线洞宝底板破坏饥的位置集飞中在母线偏洞中部到野主厂房一忙侧。巾围岩的垂坑直位移分对布规律十否分明显：伐顶拱向下月，底板向胞上。这是凭由于开挖蒸引起地应省力释放所适造成的。泻围岩总位速移的分布孟规律则基夸本上是之按五1楚号尾水洞花到袖6嚷号尾水洞麦的方向依穗次递减（大见欣图盐5值）。各主狗要洞室的仅位移分布科如下：华1仇）主厂房匆上游边墙尝位移的最智大值出现参在边墙的单中部，下慎游边墙水贼平位移的隐最大值出路现边墙上毒部和顶拱坡位置。恰顶好在此位咬置上，岩销爆所造成风的破坏最酬严重。波2栽）主变室矮高度较低谁，约为主留厂房高度窗的脉2/万5贸，但是其逐最大位移校值却大于菜主厂房。票3探）尾调室晨的最大位往移发生详在笋1在号好和越2傻号尾水洞划之间。宰与破损区难图相对照搬，可以看难出是否破芦坏以及破高坏程度与弓绝对位移残的大小不轰一定有确纯定的对应娃关系。最悔明显的是基在主厂房凉的上游拱诉肩的位移反比下游拱虏肩的位移怜为小，但衰是下游拱弦肩并没有卡破坏，而纠上游拱肩樱则发生了见破坏，这班主要是由细于下游拱扔肩的刚体逗位移较大赔，形变位善移却不大说的原因。倚由以上可故看出，地饭下厂房洞充室群的围微岩整体是观稳定的，织破损区是捆局部的，构并且由于咱该岩体的来完整性较早好，故可区通过适当尸喷锚处理族。围岩的圾破坏捎从落1惑号尾水洞西到砌6刊号尾水洞启依次递减值，故应加疏强兰1妈号搂和需2戏号尾水洞堆之间岩体介的稳定性催观测，遇大到问题及柏时处理。图1二滩地下厂房区域水平布置示意图图1二滩地下厂房区域水平布置示意图图3划分单元后的地下厂房模型图2划分单元后的整体模型图3划分单元后的地下厂房模型图2划分单元后的整体模型图42号机组所在面破损区等值线示意图图5主厂房下游边墙总位移示意图图42号机组所在面破损区等值线示意图图5主厂房下游边墙总位移示意图裤3.谅3刮计算时应梁注意的问询题诵在计算前毒，可以编是制计算文前件，计算雾时直接调婆入该文件够执行即可尼。例如要房模拟开挖乳的过程就爪可以编制挣相应的步寒骤，在计枣算不同的扇开挖步骤找时，只需蠢调入不同卧的文件执顷行即可。楼这样就减妈少了人工铺干预，提添高了计算默效率。在括计算后，舞若出现模除型开裂的闷情况，则数说明在不挺同的小模待型之间尚眉未完全合单并，需调六整合并图萝元的容差啄，直至所贺有小模型钢合并成一碌个整体为依止。结束语矿利用有限卸元软件进前行数值模尤拟计算已磨成为当前皆许多行业耕数值计算与的主流，拴本文结合各具体工程炼，讨论了盘在运用此慈类软件进镰行大规模婚数值计算貌时的相关开问题，主端要有以下始几点：榴1户）建立模铸型时，整娇体考虑选棕择合适的五模型和建寺模方法，盆尽量符合踏工程原型找且要便于软计算分析化。拦2貌）把大模援型分解为私小模型，妖做到化繁盾为简。征3晓）计算时免，可编制纷计算步骤倒文件，在趋不同的载投荷步调用来不同的文泽件即可。竞参考文献搏：眨[1]遭雨张有天麦,痒胡惠昌锋.蚀地应力场膨的趋势分贡析奸.夜水利学报朴.198手4,枣(悠4悼).危[2]剪嫁徐秉业教,滚刘信声猫.卵应用弹塑巩性力学听.孕北京常:风清华大学检出版社忍,199聋5.51慢3~51兵4.盛[3]孤么二滩水电叙站地下厂啊房洞室群程模拟开挖蔬过程的三架维非线性引有限元分璃析侨.蛾昆明理工梨大学电力叨工程学院链,200尖0.战Surr考ound万ing确Rock芽Sta弓bili聋tyA撑naly神sis球FEM害ofE门r-ta愧n焰Cham浑bers未and给Rel正ativ钱ePr良oble玩ms桃Abst余ract言FEM奉(Fin凑ite围Elem剪ents帮Met乒hod)碧is脊the躲main漠way奔of锐nume让ric查comp归utin亿gin洗al强oto中fdo鞭main岂at弯pres冒ent.介煮This撑pap叙erc服ombi择ning旬the朱sur午roun缴ding份roc镇kst仿abil跑ity餐ofE探r-ta挡nun慈derg宽roun干dpo导werh忧ouse龟cha续mber练s,f零ocus端on下rela固tive臭pro吹blem挂sab角out韵proc介essi笨ngl圾arge晓-s