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节理网络有限元法在地下洞群稳定性分析中的应用_图文

第 38 卷第 6 期

水力发电

节理网络有限元法在地下洞群 稳定性分析中的应用

吴基昌 1, 崔 臻 2袁 盛 谦 2袁 李红霞 3
渊1. 国电大渡河大岗山水电开发有限公司袁 四川 石棉 625409曰 2. 中国科学院武汉 岩土力学研究所袁 湖北 武汉 430033曰 3. 海军工程大学理学院袁 湖北 武汉 430033冤

摘 要院 运用节理网络有限元法 渊JFEM冤袁 针对大岗山水电站地下洞室群主厂房集水井的典型剖面袁 研究了裂隙岩 体的变形破坏特征和锚杆对岩体的锚固作用遥 研究结果表明袁 节理网络有限元分析计算模型与实际岩体结构高度一 致袁 对于一些常见的不稳定地质体的支护计算结果也较为合理袁 为裂隙岩体的稳定性评价和支护结构设计提供了一 种有效尧 合理的分析途径遥 关键词院 地下洞室群曰 节理有限元曰 裂隙岩体袁 稳定性评价曰 大岗山水电站

Application of Jointed Finite Element Method on Stability Analysis of Underground Caverns Wu Jichang1, Cui Zhen2, Sheng Qian2, Li Hongxia3
(1. Dagangshan Branch of China Guodian Dadu River Hydropower Development Co., Ltd., Shimian 625409, Sichuan, China; 2. Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, Hubei, China; 3. College of Science, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Hubei, China)
Abstract: The deformation and failure characteristics and the supporting effects of anchor bolts are studied by Jointed Finite Element Method ( JFEM) for the blocky rock masses in the typical section of collector well in the underground main powerhouse of Dagangshan Hydropower Station. The study shows that the simulation of JFEM model is highly consistent with actual rock structure, and the calculated supports are also reasonable to some usual unstable rock masses. The JEFM provides an effective and rational analysis way to the stability evaluation and support design of blocky rock masses. Key Words: underground caverns; jointed finite element method; blocky rock masses; stability evaluation; Dagangshan Hydropower Station

中图分类号院TU457渊271冤

文献标识码院A

文章编号院园缘缘怨原怨猿源圆渊圆园12冤06原园000原园3

0引言
对于我国西南地区众多坐落在高山峡谷地带的 高水头尧 大容量水电站袁 地下厂房是一种经济甚至 是唯一的选择遥 这些修建在复杂地质条件下的地下 洞室群袁 由于洞室开挖涉及到特殊的地层及岩体结 构袁 围岩变形与破坏主要受围岩性状以及围岩中结 构面切割所控制遥 目前袁 最常见的围岩稳定性评价 方法是常规有限单元法 (Finite Element Method, 简写 野FEM冶)袁 但这一方法难以有效模拟岩体的实际结构 及锚杆在复杂岩体结构中的锚固作用遥 针对这一工 程 难 题 袁 本 文 引 入 节 理 网 络 有 限 元 方 法 ( Jointed Finite Element Method, 简写 野JFEM冶 )[1]遥 以施工期不

连续面现场地质调查所获得的裂隙展布为基础袁 以 二维随机节理网络模拟技术为指导袁 建立概化岩体 节理网络地质力学模型遥 在此基础上袁 形成裂隙岩 体力学模型遥
1 节理网络有限元方法
JFEM 是指具有节 理网络模拟功能的有限元袁 不
收稿日期院 2012-02-28 基金项目院 国家 自 然 科 学 基 金 项 目 渊51009130袁 51009131冤曰 野973冶国家重点基础研究发展计划渊2010CB732001冤 作者简介院 吴基昌渊1966要冤袁 男袁 贵州天柱人袁 教授级高工袁 副总经理兼总工程师袁 主要从事水电工程建设管理工作.
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但能将野外节理统计特征直接输入到模型中袁 还能 允许节理按一定的破坏准则产生屈服袁 从而较好地 模 拟 岩 体 的 实 际 结 构 及 破 坏 特 征 [2]遥
由于建立模型及计算收敛性的困难袁 以前开发 的有限元尧 有限差分程序难以有效模拟岩体的实际 结 构遥 随 着 技术 的 进 步 袁 加 拿 大 Rocscience 公 司 于 2011 年开发的 Phase2 8.0 有限元软件有效地解 决了 这一问题遥 虽然仍将节理网络视作单条节理的组合袁 但程序提供了强大的节理网络生成器袁 可同时生成 并处理各种形式的多组节理袁 节理的模拟采用 Goodman 单 元 袁 节 理 的 剪 切 行 为 可 服 从 Mohr Coulomb 滑动准则或更加先进的 Barton-Bandis 准则遥
本 文 中 袁 随 机 裂 隙 网 络 分 形 模 型 根 据 Baecher 圆盘模型研 究成果建立[3]袁 假设裂隙中点在空间均匀 分布袁 利用泊松过程生成指定半径和走向的碟状裂 隙遥 结构面产状由其倾角 琢 和倾向方位角 茁 确定袁 其 常 用 的 概 率 分 布 有 Fisher 分 布 尧 Bingham 分 布 尧 双变量正态分布尧 均匀分布等遥 结构面大小一般通 过统计岩体外露面的裂隙迹长来描述袁 主要方法有 测线统计法及统计窗法遥 一般认为袁 结构面迹长服 从对数正态 分布或负指数分 布 [4]遥 图 1 为 采用 Fisher 概率密度分布袁 生成的裂隙迹线实例遥
图 1 1826 号随机种子生成的裂隙迹线
2 工程实例
大渡河流域大岗山水电站地下厂房洞室群采用 主副厂房尧 主变室尧 尾水调压室 3 大洞室平行布置遥 主厂房开挖 跨度 30.80 m遥 主变室开挖跨度 为 18.80 m遥 尾水调压 室净跨度 20.50耀24.00 m遥 场 址工程 区 域地形地貌复杂袁 区域地应力水平较高袁 地质条件 复杂袁 发育有断层尧 岩脉等不利地质结构遥 在此以 本工程的主厂房集水井典型剖面为例袁 采用节理网

络有限元对变形破坏特征和锚杆作用进行研究遥
2.1 数值模拟条件

根据设计单位提供的开挖揭示地质资料袁 副厂

房下部厂 渊横冤 0+130.10~0+145.50 区段主要发育 4

组裂隙袁 其产 状见表 1遥 将 该 区 域的 围 岩 视 为 野岩

石冶 与结构面的组合袁 受结构面切割的 野岩石冶 尺

寸约为 0.5~10 m袁 其力学参数参照地下厂房区现场

钻孔弹模测试结果依经验取值曰 裂隙结构面参数根

据现场与室内结构面力学试验成果取值遥 岩石与结

构面的力学参数见表 2遥

表 1 主要发育裂隙产状

裂隙组号

倾向/倾角/渊毅冤

迹长/间距/m

a

EW/S渊N冤蚁60毅~80毅

20~30/10

b

N40毅~50毅E/N蚁81毅~85毅

15~25/8

c

EW/S蚁25毅~35毅

10~20/7

d

N20毅~40毅W/N蚁28毅~38毅

8~12/4

表 2 厂区岩体中岩石与结构面力学参数

主要 参数
岩石

弹性模 量 E/GPa
25

泊松 比v
0.2

节理法 向刚度 Kn /MPa窑m-1


节理切 向刚度 Ks/MPa窑m-1


粘聚力 c/MPa
2.5

结构面 要



3 000

1 000

0.15

内摩 擦角/ 渊毅冤
60
31

锚杆支护参数参照行业规范根据围岩质量等级 来确定遥 预应力与普通砂浆锚杆间隔布置袁 具体支 护参数院 预应力锚杆 准32尧 长 9 m尧 T=150 kN曰 普 通砂浆锚杆 准28尧 长 6 m曰 布锚间距均为 1.5 m遥 在 有限单元法中袁 用杆单元模拟加固的锚杆袁 反映其 刚度贡献和对岩体的预压作用遥
2.2 主厂房集水井厂 渊横冤 0垣133.0 典型剖面
副厂房下部厂 渊横冤 0+130.10~0+145.50 区段在 开挖过程中遭遇到裂隙发育导致的边墙失稳现象袁 对开挖安全性造成一定威胁遥 应用所获得的地质资 料和地下厂房设计资料袁 基于裂隙网络模型进行开 挖变形及支护计算袁 为洞室群的安全施工提供参考 依据遥 为了简化问题袁 计算模型中仅考虑主厂房集 水井袁 不考虑主变室和尾调室的影响遥 建立的数值 模型见图 2遥
图 3 为无支护条件下集水井开挖完成后节理破 坏与围岩变形图遥 从图 3 可以看出袁 开挖完成后围 岩向洞内变形袁 其变形形态受节理切割影响较大袁 围岩变形最大为 21 mm遥 总的来说袁 对于与墙面成 小角度相交的节理裂隙袁 由于应力释放的影响不同袁 在节理面上易发生上尧 下层面的剪切错动变形曰 对 于陡倾角结构面袁 在下游边墙表现为反倾切割模式袁 开挖后在反倾结构面处发生张开变形袁 且与该处缓 倾结构面组合切割形成了可动块体袁 是边墙施工稳

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定的隐患曰 陡倾角结构面与上游边墙切割时则易形 成多层薄层下滑体袁 给墙体的稳定性带来不利影响袁 在集水井下游边墙主要有零星掉块的可能遥 为清晰 起见袁 图中仅绘出了发生破坏的节理袁 从图中可以 看出袁 上游边墙多为陡倾角结构面发生破坏袁 而下 游边墙则主要是缓倾节理发生破坏遥 开挖计算结果 与施工期地质调查及灾害评估基本相符袁 可以反映 集水井局部洞段围岩的主要变形特征与失稳机制遥

图 2 主厂房集水井节理有限元计算模型 (局部)
图 4 为集水井开挖后的最大主应力等色区图遥 通过比较无节理与有节理模型的应力分布可以发现袁 在集水井上尧 下游边墙附近出现应力集中现象遥 由 于节理在开挖卸荷过程中发生较大的剪切张开变形袁 加剧围岩应力释放袁 使得集水井裂隙围岩主要表现 为应力松弛遥 其中袁 缓倾结构面对于围岩的应力松 弛影响较大袁 应力松弛区与围岩发生松动变形的区 域基本一致袁 说明裂隙围岩在开挖卸荷过程中的剪 切张开变形是围岩应力松弛的主要原因遥

图 4 集水井无支护条件下最大主应力分布
直观地看出袁 施加支护措施后袁 集水井上尧 下游边 墙的不利地质情况有了显著改善袁 围岩整体变形形 态更加均匀遥 究其原因袁 可认为是锚杆对结构面产 生 野销钉作用冶 限制结构面变形和增强结构面的抗 剪 性 能 袁 从 而 提 高 岩 体 的 整 体 强 度 [5]遥 与 传 统 的 FEM 法 相比 袁 JFEM 可 以 较为 充 分 地 反映 锚 杆 支 护 效应遥 但是袁 下游边墙零星掉块和上游边墙的沿陡 倾结构面滑移变形仍然是集水井施工期稳定的主要 不利影响因素遥 因此袁 建议在此处加强喷射混凝土 的强度或增加随机锚索曰 另外袁 局部的掉块无法避 免袁 应在施工过程中引起注意遥

图 3 集水井无支护条件下节理破坏与围岩变形
图 5 为施加支护后的围岩变形图遥 从图 5 可以

图 5 施加设计支护后集水井节理破坏与围岩变形
根据监测布置设计图袁 监测单位在集水井区段 的上尧 下游边墙各布置了 2 组由多点位移计尧 锚杆 应力计和锚索测力计组成的监测设备遥 表 3 给出了 集水井区段 4 支多点位移计的孔口实测绝对位移与 本文中支护后计算结果的对比遥 其中袁 计算变形值 考虑了实际多点位移计的安装时机袁 为相对变形值遥 结果表明袁 计算结果与监测结果的吻合度较为良好袁 较好地反映了岩体变形随洞室开挖的发展规律遥 同
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时袁 也说明本文采用的裂隙概化模型和岩体力学参

数是较为合理的遥

表 3 多点位移计监测结果与分析结果对比

mm

多点位移 计编号

位置

实测值

计算值渊开

时间 测值 挖完成后冤

M4 1CFX

集水井上游边墙▽959.5 m 2011-07-18 18.85

23.2

M4 2CFX

集水井上游边墙▽973.0 m 2011-10-12 30.78

28.6

M4 3CFX

集水井下游边墙▽977.5 m 2011-10-13 7.09

12.5

M4 4CFX

集水井下游边墙▽959.5 m 2011-10-13 5.31

8.3

3结语
本文采用的方法在分析地下洞群围岩变形破坏 特征和锚杆对岩体的锚固作用时袁 计算模型与实际 岩体结构高度一致袁 可以准确地描述围岩主要变形 特征与失稳机制袁 对于一些常见的不稳定地质体的 支护计算结果也较为合理袁 为裂隙岩体的稳定性评 价和支护结构设计提供了一种有效尧 合理的分析途 径遥 对大岗山水电工程主厂房集水井典型剖面的 JFEM 分 析 结 果 表 明 袁 集 水 井 上 游 边 墙 主 要 表 现 为 沿陡倾结构面向洞内的剪切滑移变形曰 下游边墙主 要表现为节理在开挖卸荷过程中发生较大的剪切张 开变形袁 加剧围岩应力释放袁 使得集水井上尧 下游

边墙出现应力松弛遥 其中袁 缓倾结构面对于围岩的 应力松弛影响较大袁 使得下游边墙有零星掉块的可 能遥 增加支护措施后袁 该洞段上尧 下游边墙的不利 地质情况有了显著改善袁 围岩整体变形形态更加均 匀袁 施工安全性得到保障遥 计算结果与监测结果的 吻合度较为良好袁 说明本文方法的工程适用性是较 好遥
参考文献院
咱 1暂 Rocscience Inc.. Phase 2 Joint Network Verification 咱R暂. Ontario院 Rocscience Inc., 2011.
咱2暂 宋彦辉袁 黄民奇袁 孙苗. 节理网络有限元在倾倒斜坡稳定分析 中的应用咱J暂. 岩土力学袁 2011袁 32渊4冤: 1205-1210.
咱3暂 Beacher G B, Lanney N A, Einsten H H. Statistical description of rock properties and sampling咱C暂//Proceedings of the 18th US Sym鄄 posium on Rock Mechanics. Colorado: Johnson Publishing Company, 1977.
咱4暂 Goodman R E, Taylor R L, Brekke T L. A model for the mechanics of jointed rock咱J暂. Journal of the Soil Mechanics and Foundations, 1968, 194渊3冤: 637-659.
咱5暂 伍佑伦袁 王元汉袁 古德生. 锚杆抑制临空结构面扩展的试验研 究咱J暂. 岩石力学与工程学报袁 2006袁 25渊S1冤: 3046-3050.
渊责任编辑 杨 健冤

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