三维地质力学模型试验新技术

三维地质力学模型试验新技术

1通过研究地下洞室施工过程的物理模型试验来实现模拟随着计算机技术的快速发展，数值模拟模拟恶意软件广泛应用于土木工程和地下工程的研究和设计。但对于大型或超大型工程，地质力学物理模型试验研究方法仍然是必要的。这不仅是因为超大型工程往往没有先例可以比较，以及地质和地应力条件千差万别，而且不同的数值分析方法和采用的模型不同也会给出差别较大的结果。物理模型试验与数值方法相比有它的弱点，如改变方案不灵活、有尺寸效应、试验难度大、费用高，尤其是三维模型试验更是如此。然而，物理模型则由于是真实的物理实体，在基本满足相似原理的条件下，更能真实地反映地质构造和工程结构的空间关系，更准确地模拟施工过程和影响。试验结果能给人以更直观的感觉，使人更容易从全局上把握岩体工程整体力学特征、变形趋势和稳定性特点，以及各洞室或结构之间的相互关系，从而做出相应的判断。其次，也可以通过物理模型试验，对各种数值分析结果进行一定程度上的验证，而不必等到工程施工以后。这无疑对于大型或超大型岩体结构工程研究和设计有重要意义。近年一直在进行的研究坝体、坝基和坝肩稳定性的三维地质力学模型试验就是明证，而且在试验规模、试验方法和试验技术方面已经取得了重要成果。从文献检索结果来看，研究地下厂房洞室群的岩石力学物理模型试验，与研究坝体、坝基和坝肩稳定模型试验相比，则有很大的差距。到目前为止，大多为平面模型试验和少数几个小型三维试验。如成都勘测设计研究院郭舜年等所做的二滩水电站导流隧洞平面模型试验研究、总参某部工程兵科研三所进行的二滩水电站地下厂房围岩与支护系统的地质力学平面模型试验研究、同济大学程桦等所做的复合式隧道衬砌支护的力学机理及其承载力研究、中国科学院武汉岩土力学研究所与日本青木建设研究所合作进行的节理岩体中隧道围岩稳定平面模型试验、原武汉水利电力大学所做的采用以加膜铁粉和重晶石粉为骨料，以松香为胶结剂经压制而成的MIB材料制作某水电站厂房三维模型的试验研究等。这些试验都没有模拟洞室的施工过程，对洞室稳定起着至关重要作用的地应力场模拟更为简化。究其原因，最主要的是模拟地下洞室施工过程的三维模型试验难度太大。例如，三维地应力场的模拟原理和技术、洞室群开挖尤其是内部洞室隐蔽开挖技术的实现、内部物理量量测方法等等，因而，几十年来一直没有明显进展。在本试验中，作者提出并研制了离散化多主应力面加载和控制系统，成功地解决了复杂三维初始应力场的模拟难题；利用清华大学综合性大学的优势，通过校内外及国内外的多种技术合作，采用机械臂和步进微型掘进机技术、微型高精度位移量测技术、声波测试技术、光纤测量及内窥摄影技术等，解决了三维试验中的隐蔽开挖模拟及量测等关键技术问题，成功地完成了复杂洞室群模型试验。这一试验对地下工程试验研究领域起到一定的开拓作用，其成果也可应用于今后我国西部大开发战略中的其他超大型地下水电站的设计和研究。2岩体模型材料试件设计和制作根据相似理论，为了保持模型的正态特性，使模型力学参数的相似比尺与模型几何相似比尺的一致是重要的，这就要尽量保证模型材料的容重γm与实际岩体的容重相等，即容重比尺：Kγ=γp/γm=1。这样，就需要寻找容重很高而弹模和强度较低的模型材料。以往的地质力学模型试验所采用的模型材料大多是以重晶石粉、重硅粉为材料主体。这些成分作出的模型材料容重一般仅能达到24～25kN/m3。以加膜铁粉为主料，以松香为胶结剂的MIB材料可以达到较高的容重，甚至超过30kN/m3，但是，这种材料较为昂贵，以松香为胶结剂则必须在较高温度下进行拌和制作模型，不易均匀且会有残余温度应力，因而只适于制作小型模型。而模型太小，则无法模拟洞室群的开挖。文中模型试验的地下厂房洞室就是预先做好又埋入模型中去的。本研究经过大量的试验比较，摸索出一种称为NIOS的模型材料，它以天然铁矿经过研磨淘洗精选出的纯Fe3O4粉及清洁河沙作为主体模型材料，石膏作为胶结剂的方法和配比，可以模拟容重为25～30kN/m3的岩体，作成几何相似比尺为1∶100，总重100t的三维地质力学岩体模型，容重比尺Kγ=1，从而使模型力学参数的相似比尺与模型几何相似比尺相一致，均为1∶100。这对于模型的制作、量测提供了方便条件。这种材料容重高、性能稳定、无毒性、无扬尘，价格比重晶石粉和MIB材料便宜得多，且制作方便，对环境无影响，亦可重复使用。图1为材料试件。表1给出了几种岩体模型材料的配比和力学参数。试验中还特制了一个60cm×60cm×100cm的大型试件，见图2。制作这一试件的目的和研究内容有：研究实际模型分层夯压的机具；研究实际模型分层夯压的制作工艺、压实强度、夯压遍数；研究实际模型的开挖方法和进度；研究内部洞室隐蔽开挖的可行性和定位方式；隐蔽开挖机械臂和微型掘进机进行试验性开挖；研究锚固支护系统的模拟方案、材料、实施手段和了解大体积模型材料的干燥情况。构造面的模拟方法是采用0.1mm厚的聚乙烯薄膜，并在薄膜上以打孔的方式模拟不同的节理连续度和不同的c，ϕ值(如φ20mm，间距1.77cm×1.77cm，梅花形布置，即可模拟50%的节理连续度)。3有限元模拟分析原理三维原始地应力的模拟是三维地质力学试验成败的关键问题之一，也是难点之一。经过研究、论证和试验，笔者提出并研制了“离散化多主应力面加载及监控系统”，成功地模拟了三维地应力场，保证了试验的初始条件。离散化三维多主应力面加载系统，是在地质力学模型仿真试验中，首次提出使用的一种能近似模拟复杂三维空间地应力场的加载系统。它的基本思路来源于有限元、边界元、离散元等将研究域离散化进行数值分析的原理，把需要模拟的复杂变化的地应力分布场，离散为有限多个微小的单元应力场，并将此单元应力场等效为一个均匀应力场。用一组垂直于该单元应力场主应力矢量的微小主应力面，代替原来的斜截面，并在这一组主应力面上按照等效主应力的大小施加法向力，就达到了模拟这一单元应力场的目的。对各个离散的单元应力场均进行这样的操作，就可以完成整个试验域复杂变化的应力场的模拟。以上原理可用图3表示。这一加载系统由高压气囊、反推力板、限位千斤顶、垂直立柱、封闭式钢结构环梁、支撑钢架和空气压缩机组成，如图4。此外，还设计了压力监测和报警辅助系统，采用压力监测仪监视每一个高压气囊的压力变化情况，当气囊内压力变化超过额定值时，报警装置即会发出信号，以保证试验期间的压力稳定。根据圣维南原理和试验过程中对应力变化情况的跟踪监测，以及采用有限元方法对实际加载系统的模拟计算，证明除在离散加载面附近的岩体中因应力集中的存在而发生应力不均匀外，洞室群周围应力场比较均匀并接近设计的模拟值。此部分内容将另文介绍。4隐蔽开挖模模拟地下厂房洞室群中的洞室纵横交错，模型试验中进行施工开挖仿真模拟，极为困难。本试验对试验范围内地下洞室群的开挖过程按照设计的施工程序进行模拟，取得了成功。除了主厂房、主变室和尾水调压室3大洞室之外，在本试验中，还包括了完全隐蔽在模型内部的的尾水管和母线廊道，该处手工或一般开挖工具难以触及。尾水管的隐蔽开挖长度为125m，而且为渐变的城门洞形断面。母线廊道断面也为城门洞形，但是，靠近主变室一侧13m一段断面加大，造成母线廊道断面突变。这些都给开挖模拟带来极大困难。隐蔽开挖无法采用一般的手工钻进方法，需要设计专门的钻凿机具。经过反复研究试验，制定了3级定位、3级开挖的试验方案。在模型中、试验台和机械设备上开发出3套空间定位系统，设计了隐蔽开挖机器臂和微型步进式掘进机，以及与之配合使用的隐蔽洞室内窥系统，成功解决了这一技术难题，如图5所示。由于这部分内容较多，将另文详细介绍。试验还进行了支护方案的模拟。按照数值计算优选的支护方案，对试验范围内地下洞室群的锚固支护(包括3大洞室的喷混凝土、锚索)也进行了模拟。锚索按实际位置模拟并施加预应力。系统锚杆与喷混凝土联合模拟为挂金属丝网涂浆。锚索模拟材料采用金属铝线或细铜丝束，用建筑胶浆固结，以螺旋加载方式施加预应力。5构造及破坏形态的观测对施工模拟过程中的洞室内部收敛变形及破坏形态进行了多种方式的量测：在主厂房、主变室、尾调室3个主要洞室中，采用预埋多点位移计方式进行内部收敛以及洞周围岩深部的变形量测；采用光导纤维进行内部变形的量测；采用超声波测量方法进行洞周围岩屈服松动区的量测(图6)；采用内部摄影方式进行了内部破坏形态的观测。在主厂房、主变室、尾调室3个主要洞室围岩中的适当位置，预埋三向应变计、应变花，进行应力场分布的量测。在重要位置，预埋光纤传感器，与应变片测量相比较，测量应力场分布。6地下洞室群及支护方案模拟以上介绍的三维地质力学模型试验新技术的开发是结合某超大型地下水电站设计工作进行的。拟建水电站位于四川和云南省交界的金沙江深山峡谷中，是我国继三峡水电工程后又一超大型水电站。电站总装机容量12600MW，共计18台700MW的水轮发电机组。该工程规模巨大、地质条件复杂、地下洞室群布置复杂、纵横交错，尤其是左岸地下厂房轴线与最大主应力线呈较大角度相交，对厂房洞室稳定不利。而且厂房又位于高地震烈度区(高达8度)，如此超大规模的地下洞室群在施工期和运行过程中的长期安全稳定问题，都是前所未遇的。因此，有必要进行地下厂房洞室群大型三维地质力学模型试验。电站厂房采用全地下式，分左、右岸地下厂房，各布置9台机组。左岸地下厂房布置在大坝上游山体内，总装机容量6300MW。厂房轴线为N24°W,3大洞室平行。主厂房尺寸为318.03m×31.90/28.40m×75.10m(长×宽×高)，厂房总长度426.0m。主变室全长325.52m，宽度19.8m，高26.5m。尾水调压室全长300.0m，宽度26.5/25.0m，高度95m，中间设2条岩柱隔墙，厚度18.0m。如图7所示。本试验研究对象为左岸地下厂房洞室群，包括主厂房、主变室、尾水调压室、母线道和尾水管。(1)模拟范围。地下厂房顺水流方向的上下游各取3大洞室最大开挖跨度的1～1.5倍长度，实际各约为1.27倍，总长度为620m；沿高程方向的下方取到洞室高度的1～1.5倍，实际取为1.45～1.85倍，达到海拔200m；上方取到地面，实际模型做到海拔670m，其上部作为荷载加在模型顶面；沿主厂房的纵轴线方向取3个机组段长度(自5号机组中心线至8号机组中心线)，为102m。因为模型几何比尺为1∶100，所以，岩体模型尺寸为长×高×宽=6.20m×4.70m×1.02m。在洞室轴线方向的长度相当于3倍洞跨，或1.5倍洞高。模型内部模拟了2条完整的母线道和2条尾水洞，可以在较大程度上反映洞群的三维效应。(2)地形及地质条件模拟。对模型试验范围内的地形、地貌和三维地质构造进行模拟，模型基本满足几何、物理、力学相似条件，如图8。(3)对地下厂房洞室群的开挖、支护方案进行模拟。试验工作自2000年5月开始各项前期工作，包括场地准备、试验台设计和施工、模型材料设计和试验、模型制作和传感器埋设、地应力场生成和监控系统研制、隐蔽洞室开挖系统研制和试运行、测量仪器的研制和准备等等。2001年7月15日正式实施洞室开挖模拟，量测系统进行同步量测，采集数据，至2001年8月18日完成洞室群开挖，历时1年4个月。由于上述各项试验新技术的采用，试验获得了成功。试验得出了洞群围岩变形、应变应力、屈服区分布等模拟结果，如图9所示，验证了设计单位推荐方案的合理性。试验表明，在厂区特有的地形地貌、地质构造和地应力条件下，该水电站地下厂房洞室群的总体布置、洞型设计、洞室间距是合理的。主变室滞后主厂房和尾水调压室开挖一期的施工方案以及锚固支护方案，对洞室安全成洞均有保证。在试验开挖过程中，洞室群保持了总体稳定，主要洞室周边未出现明显的开裂及变形突变。洞周屈服松动区的分布与厂区地质条件和洞室断面情况及空间相对关系，有较好的吻合。推荐的支护方案对洞室整体性的加强有明显的作用，并基本上控制了松动区的发展。根据地下工程围岩稳定性分析的经验，洞室围岩越稳定，围岩的整体性越好(早期喷锚支护可以增加这种整体性)，则在后期开挖过程中，洞室上抬的趋势越明显。推荐的支护方案在主厂房顶拱埋设的2排锚索，穿过了层内错动带，增加了顶拱的整体性，是很必要的。试验中模拟了锚固支护的机组段，顶拱变形在后期具有明显的上抬趋势；而没有模拟支护的机组段则不明显。可以说明模拟的锚固系统对增加洞室围岩的完整性和稳定性，起了明显的作用。通过对模型锚索应力的测量，反映出对目前的开挖方案，锚索应力有明显增加。因为尾调室是上下先开挖然后中间再挖通，高边墙有一个突然形成的过程。虽然这一情况因为中间隔墙的存在而减弱，但对离隔墙远一些的部位仍有一定的冲击作用。考虑到这一点，尾调室上下游边墙锚索的预应力施加应有所控制，而隔墙的加固应适当提前。由于采用了多项试验新技术，试验总体上是成功的，结果与同时进行的FLAC3D数值分析也基本吻合，试验成果已经提交设计单位，对设计方案起到有力的支持作用。因时间紧迫，试验未能模拟岩体的流变性能，但只要条件允许，在开挖过程中考虑时间比尺也是可能的。7高仿真度试验结果对于超大型水电站地下洞室群来说，由于工程规模大，地质条件复杂，进行三维地质力学模型试验是有必要的，它可以从全局上把握地下洞室工程整体力学特征、变形趋势和稳定性特点，并对数值模拟结果进行验证，与数值模拟互为补充