基于地應(yīng)力實測的水電站地下廠房三維數(shù)值模擬

基于地應(yīng)力實測的水電站地下廠房三維數(shù)值模擬

1地下洞室群的數(shù)值模擬問題近年來，對洞室圍巖穩(wěn)定性的分析進行了大量研究，分析和研究了圍巖介質(zhì)的特性、影響因素和施工過程對洞室圍巖穩(wěn)定性的影響，為洞室圍巖的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有效的技術(shù)參考。但對于超大型地下洞室群,一般的方法無法考慮尺寸效應(yīng)和群洞效應(yīng)等問題,數(shù)值模擬方法不受此限制,可以方便地對其進行分析,王思敬等(1984)、王士天等(1995)、尚岳全(1999)、孫紅月等(2004)、肖明等(2006)、劉彤(2005)等分別對洞室群的數(shù)值模擬進行了一定的探討,并取得許多有益的成果[10,11,12,13,14,15,16]。但地下廠房洞室的特點往往是模型尺寸大、地形復(fù)雜、構(gòu)造復(fù)雜、廠房分布復(fù)雜,要對這么巨大而又復(fù)雜的區(qū)域進行數(shù)值模擬,很難保證模擬的廠房區(qū)有足夠的精度,很多用的是簡化模型。如有的是做平面模擬,有的將模型整體做為比較規(guī)則的模型(如長方形),簡化地形和構(gòu)造的影響,有的則是將廠房大為簡化,模擬的結(jié)果由于過于簡化會出現(xiàn)較大的偏差。結(jié)合這一問題,筆者提出二次模擬的方法,并結(jié)合實例分析,進行一定的探討。2項目總結(jié)擬建地下廠房洞室群位于金沙江右岸,主要包括主廠房,長300m,主變室,長170m和2個尾水調(diào)壓室,各長82m(圖1)。2.1基巖地層及巖石學(xué)特征工程區(qū)位于金沙江右岸的一單斜構(gòu)造的雄厚山體中,山體兩側(cè)發(fā)育有東西向沖溝,沖溝切割深度10~80m。地下廠房置于山體中部,山體地形陡峻,自然坡度約35°~50°,局部為陡崖,陡崖高度約100m,基巖裸露。巖體主要為玄武巖,巖層為單斜構(gòu)造,走向近SN,傾向近正W∠15°~30°,為逆向坡,有利于山體邊坡的穩(wěn)定。洞室群軸線走向為N31°W,垂直埋深170~450m。工程區(qū)地表全風(fēng)化層厚度一般在2m左右,強風(fēng)化層厚度10~20m,弱風(fēng)化層厚度30~40m,地下廠房埋深均大于170m,主要洞室置于微風(fēng)化~新鮮巖體中。2.2t1斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育廠房區(qū)巖體堅硬,飽和巖體單軸抗壓強度均值大于110MPa,巖體較完整,縱波速度Vp值>4.5km·s-1,斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育較少,主要發(fā)育有陡傾節(jié)理和中緩傾角的t2斷層。其中t2斷層與主廠房的邊墻和洞底板部位相交,對于洞室邊墻穩(wěn)定性影響較大(圖1)。根據(jù)巴頓Q系統(tǒng)新改進方法及水電圍巖分類規(guī)范,廠區(qū)地下洞室圍巖以Ⅰ-Ⅱ類為主,凝灰?guī)r分布部位及洞室交叉部位屬Ⅳ類圍巖,但是在t2層與洞室交接部位分別為Ⅳ、Ⅴ類圍巖(表1)。3初適應(yīng)性場地的反演分析3.1最大主應(yīng)力在上覆巖體的尺寸特征工程區(qū)附近采用應(yīng)力釋放法實測了5組地應(yīng)力,主要在廠房區(qū)的平洞中實測,各實測地應(yīng)力結(jié)果具有如下特征:(1)最大主應(yīng)力在水平方向的分量明顯高于上覆巖體的重量,最小主應(yīng)力水平方向的分量也大多高于上覆巖體的重量;(2)最大主應(yīng)力隨著垂直埋深的增加而出現(xiàn)增加的趨勢(圖2);(3)最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值相差比較大,且顯示出很強的方向性,最大主應(yīng)力的方向為NNW向,與主廠房軸線小角度相交。3.2邊界應(yīng)力分析地應(yīng)力場的模擬目前主要有兩種方式,一種是施加邊界力,直接調(diào)整邊界應(yīng)力法,另一種是多元回歸分析法。本文采用第一種直接施加邊界應(yīng)力調(diào)整的方法,主要是梯形邊界對廠房區(qū)地應(yīng)力進行反演(圖3)。反演結(jié)果在主廠房區(qū)最大主應(yīng)力為18~27.5MPa,中間主應(yīng)力15~20MPa,最小主應(yīng)力10~15MPa,與實測結(jié)果接近。4洞內(nèi)開挖圍巖值分析分析時采用彈塑性三維數(shù)值分析,計算準(zhǔn)則采用摩爾-庫侖計算法則。4.1單元劃分難滿足精度要求由于山體太高,模型尺寸相對差別太大,在進行數(shù)值模擬時又由于山體表面和軟層的影響,廠房區(qū)劃分的單元很難滿足精度要求。為了解決這一問題,筆者特截取1450高程處的一個應(yīng)力場模型,將面上的力截取出來(圖4),利用fish語言,施加到數(shù)值模擬的模型上,這樣在做數(shù)值模型時,可以做成規(guī)則的四方體而精度也完全滿足要求(圖5),而且在受力上并沒有發(fā)生改變。4.2分層墻值的巷道計算結(jié)果表明,在洞室中部垂直洞軸線的剖面上,主廠房和尾水調(diào)壓室的最大主應(yīng)力σ1在洞頂和角部集中,變電室的集中區(qū)在洞頂轉(zhuǎn)角與尾水調(diào)壓室接近的地方(圖6a)。邊墻為σ1降低區(qū),尾水調(diào)壓室由于邊墻高度大,應(yīng)力降低區(qū)的范圍亦較大,主廠房由于斷層的影響也在邊墻處出現(xiàn)應(yīng)力明顯降低,甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力。最小主應(yīng)力(σ3)在主廠房和尾水調(diào)壓室的邊墻有較大范圍的應(yīng)力降低區(qū)(圖6b),主變洞各洞壁圍巖均出現(xiàn)一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)。4.3尾水調(diào)壓室的塑性區(qū)主廠房由于洞室尺寸較大,主要出現(xiàn)在邊墻的腰部塑性區(qū)分布較明顯,尤其在靠近相鄰洞室的一側(cè);對于變電室尺寸較小,基本上沒有塑性區(qū);尾水調(diào)壓室由于比較高,在尾水調(diào)壓室和變電室中間的部位出現(xiàn)了部分塑性區(qū)。所有塑性區(qū)主要在硐室相鄰的一側(cè),說明硐室之間的距離較近,相互影響比較明顯(圖7)。5洞室群的安排本文通過對三維洞室群進行二次數(shù)值模擬,得到其應(yīng)力分布規(guī)律及塑性區(qū)分布特征,這種二次分析的方法可以解決由于山體復(fù)雜,工程復(fù)雜造成的模型很難甚至無法建立的情況,對于大型地下廠房洞室群更為合適。(1)大型地下廠房由于洞室本身尺寸較大,安排的時候廠房間距往往較小,群洞效應(yīng)比較明顯。一般來說,要避開群洞效應(yīng),則最少要洞室高度的3倍以上間距。(2)由于硐室之間的相互影響,在開挖硐室時需要主意相鄰硐室一側(cè)邊墻的位移和應(yīng)力集中情況。尤其是變電室和尾