地下厂房围岩蠕变参数反演研究

地下厂房围岩蠕变参数反演研究

1地质及地质条件的研究随着土木工程反演理论的发展，土木工程设计和施工的理论和实践逐渐发展起来。它根据工程现场的监测分析结果,通过反算的方法得到岩土体的力学参数和地应力场。目前,随着我国西部重大水利水电工程的陆续开工建设,为获得岩土体更真实的力学参数和应力场,反演方法得到了越来越多的应用和发展,尤其是在岩土工程原始应力场和力学参数方面做了很多研究性的工作。江权等针对锦屏二级水电站,提出了结合弹塑性计算、地层剥蚀模拟和进化神经网络的地应力场非线性反演方法,模拟分析了厂址区域应力场的远古构造过程和地表剥蚀过程以及厂址区域地应力场分布特征。罗润林等在研究粒子群算法原理以及地应力反演方法的基础上,基于FLAC软件编制了反演程序,并对锦屏二级水电站岩体初始地应力进行反演研究。付成华等结合溪洛渡水电站工程,基于有限单元法基本原理,对回归分析方法、神经网络方法和遗传算法在地应力反演中的应用进行了分析研究。姚显春等根据拉西瓦水电站地下厂房现场地应力测试结果与开挖过程的围岩变形监测资料进行系统反演分析,确定厂房区三维地应力场,为后续厂房开挖围岩变形作出可靠预测。贾善坡等通过大岗山大型水电工程地应力实测资料,对地下厂房区地应力场和力学参数进行反演分析,提出Nelder-Mead法与有限元联合反演法,对岩体初始应力场进行求解。工程岩体蠕变参数是大型地下工程反演研究的一项重要内容。隧洞开挖施工时,由于岩体变形并非瞬时完成,为分析地下岩体工程的长期稳定性,合理确定蠕变参数至关重要。虽然通过室内常规试验和蠕变试验也能获得岩体力学基本参数和蠕变参数,但由于受尺寸效应和原岩体现场条件等诸多因素的影响,往往不能很好地反映实际岩体性能。近年来,S.Sakurai等[6~10]通过工程现场施工过程反馈的监测资料,应用不同方法来反演获取工程岩体的蠕变力学参数。本文依托锦屏二级水电站大型地下厂房工程,根据现场长期的位移监测资料,通过建立实际施工开挖过程的计算模型和蠕变本构模型来反演围岩体的蠕变及其他力学参数,为后续研究大型地下洞室群的长期稳定性和可靠性提供理论依据。2项目总结2.1主变洞室岩石学特征锦屏二级水电站位于四川省雅砻江干流锦屏大河湾上,利用雅砻江卡拉至江口下游河段150km长大河湾的天然落差,获得水头约310m。电站总装机容量4800MW,单机容量600MW,额定水头288m,是雅砻江上水头最高、装机规模最大的水电站。工程枢纽主要由首部拦河闸、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成。地下发电厂房位于雅砻江锦屏大河湾东端的大水沟。设计为主厂房和主变室2大洞室:主厂房尺寸为352.4m×28.30m×72.20m(长×宽×高);主变洞尺寸为374.60m×19.80m×31.40m(长×宽×高),位于主厂房下游45m处。水电站厂址区域山体雄伟,地形起伏较大,高程1330~1600m,坡度一般可达50°~70°,沿江形成了一系列陡壁。地下厂房置于岩性为微风化状T52y-1灰黑色中厚层细晶大理岩和T42y灰绿色条带状云母大理岩中。T52y-1多为中厚~厚层块状,围岩完整性较好,且稳定条件较好;T42y层由于层理发育,且层面裂隙中多处见有暗色矿物形成的软弱夹层,围岩稳定条件一般。地下厂房区域所在岩体完整性以一般为主,局部较完整或较破碎~破碎,如在f16,f17,f24,f35,f36,f37,f41,f56和f60等断层发育部位、裂隙密集带及岩体破碎部位易形成掉块或坍塌,与其他不利结构面切割组合。二洞室方案的主厂房无I,V类围岩,主要以III类围岩为主,占总洞长的83.5%;主变洞位于主厂房洞外侧45m,洞室围岩为弱风化状T42y条带状云母大理岩和T52y-1灰黑色中厚~厚层细晶大理岩。厂房围岩质量中等偏差,经加强支护处理后,具备修建大型地下洞室的地质条件。2.2主变室地面钻孔位移分布截至2009年7月底,主副厂房洞第VII层开挖基本完成,厂右0+140~232段下游侧保护层待开挖。目前主要进行主副厂房EL.1313.9m以上剩余支护施工及进行3#~6#机窝开挖与支护。主变洞已于2009年2月23日基本完成开挖。断面1–1(厂右0+000)地层岩性为灰黑色中厚~厚层块状大理岩,岩层产状N25#E/NW∠85°~90°,上游侧有f65断层,下游侧有f68断层通过,围岩分类为III类。截至2009年7月底,断面1–1共埋设多点位移计11套。由位移监测成果可知:(1)该断面主厂房孔口累计最大位移为44.48mm,位于上游边墙的多点位移计MCF0+000–1,位移变化量较小,基本稳定;多点位移计各测点均比较稳定,位移变化量较小,该断面位移基本稳定。(2)主变室下游侧D2–2预埋多点位移计实测位移较大,为70.09mm,本月变化速率达0.29mm/d,其余部位实测位移变化均较小,该断面围岩变形基本稳定。断面1–1主厂房多点位移计实测得到的位移分布和变化时程曲线如图1,2所示。多点位移计MCF0+000–1的孔底桩号为厂右0+000、厂上0+012.95,孔底高程:1348.20m;部位:厂房上游边墙(二层排水廊道预埋),测点最大埋深:27.5m,于2007年11月12日埋设完毕。根据现场的监测成果及工程施工进度,选取最近监测得到的主厂房和主变室断面主要控制点作为反演数据,如图3所示。3反演方法和数据处理3.1位移值的计算采用位移反分析法,利用现场位移测量资料反演分析地下工程围岩体的蠕变及其他力学参数。待反演参数可以表示为式中:m为待求参数的总个数。通过测量手段可得到测点处的相对位移或绝对位移,表示为式中:u10,u20,…,un0为各测点处的位移实测值;n为测点的个数。岩土体位移U是变量X的函数,即U=f(x1,x2,…,xn);给定待求参数X初始值,通过数值计算,由这些初始参数可以得到测点处的位移计算值,即式中:u1,u2,…,un为各测点处的位移计算值。保证各力学参数取值在允许范围内时,优化各力学变量,使得各种工况下的有限元计算结果和相应点原位观测值的差值的平方和最小。在数学上用误差函数来表示:材料参数在一定的允许范围内,约束条件为式中:ximin和ximax为材料参数的允许范围,可根据相关室内和现场试验获得。参数优化反演的过程就是寻找一组材料参数{X*},使下式成立:位移反演的优化解法认为,当误差函数Ψ取得最小极值时,计算用的材料参数X*即可视为现场岩体的材料参数。3.2位移反演的基本原理在岩土工程领域,常利用工程现场量测得到的反映系统力学行为的某些物理量来推算该系统的一些参数,通常是基于实测位移反求力学参数,把参数反演问题转化为一个目标函数的寻优问题。设在t0时刻隧道不同断面和位置处有m个测点,经过n个时间间隔,可观测到mn个相对于t0时刻各测点初读数的增量位移序列,即在实际观测中比较方便的做法是观测两点之间的相对位移,得到的是测线收敛值序列,即设测线L的两端点为P1和P2,与y轴的夹角为θ,点P1和P2处的计算位移分别为和,则由图4可求得测线L的计算收敛值为式中:ΔLc为有限元计算所得的位移收敛值。基于测线相对变形数据,采用最小二乘法建立反分析的目标函数,即式中:ΔLmji和ΔLcji分别为同一测线的相对位移实测值和计算值。待反演参数包含在目标函数的ΔLcji中,由于ΔLcji不存在显式表达式,黏弹塑性的位移反演问题是隐式非线性问题,因此,无法采用收敛速度较快的梯度法优化求解,一般只能采用直接寻优解法。根据上述思想,基于MATLAB软件,结合精确罚函数法以及Nelder-Mead优化算法,编制了相应的位移反分析计算程序,并对锦屏二级水电站地下厂房力学蠕变参数反演研究。位移反分析计算程序及方法详见贾善坡等的研究。4围岩塑性参数的建议值、区域化及主要控制点的监测位移值依据锦屏二级水电站地形地势图,建立二维数值计算模型,如图5所示,并考虑了f16,f41和f65等断层的影响。厂址区围岩与结构面物理力学参数的建议值如表1所示。采用经验型的蠕变方程形式,即式中:εc为蠕变应变;P1,P2,P3均为待定参数,通过监测数据反演得到;σ为应力(MPa);t为时间(s)。取地下厂房围岩体中厚层大理岩(T5-12y)的弹性模量、内摩擦角和黏聚力、蠕变待定参数P1,P2,P3以及侧压力系数λ作为待反演参数,其区间和初始值如表2所示。主要控制点的监测位移值如表3所示。由于监测数据点多于待反演参数,反演结果具有唯一性。5工进度中内装植物的开挖锦屏二级水电站地下厂房的二洞室开挖顺序如表4所示,考虑到目前施工进度中主厂房VIII层和二洞室之间的母线洞并未施工开挖。因此,本文所建模型中主厂房也是开挖到第VII层,数值模拟也未考虑到母线洞的开挖。锦屏二级水电站地下厂房的分步开挖顺序如图6所示。6优化后的支护效果通过计算,优化程序迭代211次,调用ABAQUS计算563次。反演结果如表5,6所示。由表6可知,大部分反演结果与实测值误差均在8%以内,反演所得的测点位移也与实测值非常接近,测点C8结果失真,这可能是该测点监测有误的原因。总体而言,Nelder-Mead法局部搜索能力较强,反演参数的精度较高。从反演结果来看,弹性模量和内摩擦角基本在III类围岩参数范围内,反演的黏聚力c值较高,为2.33MPa,由于本文还考虑到蠕变参数的反演,因此本次反演结果符合工程实际。地下厂房参数反演后得到的锚杆应力结果与大部分实测结果趋势较为一致。主厂房和主变室之间的高预应力锚索的结果对比如图7所示。由图7可知,反演与实测结果较为相近。图8~10分别为反演后得到的围岩体位移、应力和塑性区分布云图。主厂房最大位移分布在开挖III边墙处,为4.67cm;在主厂房和主变室的边墙部位出现了较大的拉压应力,最大拉应力为3.2MPa,最大压应力为23.7MPa;这些部位均出现较大的塑性屈服,最大塑性应变为3.53×10-3。7围岩模型材料反演研究根据锦屏二级水电站地下厂房施工阶段的现场监测资料,建立了反映施工开挖过程的计算力学模型,采用基于Nelder-Mead优化搜索算法的位移反分析计算程序,对水电站地下厂房围岩体力学蠕变参数进行了反演研究,初步得到以下结论:(1