三維地質(zhì)力學(xué)模型管理論文

三維地質(zhì)力學(xué)模型管理論文研究巖體穩(wěn)定問(wèn)題通常采用的方法有工程類比法、地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析法、數(shù)值模擬仿真分析法和地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗(yàn)法等1，2。對(duì)于中小型工程，一般只采用前幾種方法進(jìn)行研究，但對(duì)于大型或超大型工程，地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗(yàn)則是必要的。模型試驗(yàn)尤其是三維模型試驗(yàn)與數(shù)值方法相比有它的弱點(diǎn)，如尺寸效應(yīng)、試驗(yàn)難度大、費(fèi)用高。然而，物理模型則由于是真實(shí)的物理實(shí)體，在基本滿足相似原理的條件下，則更能真實(shí)地反映地質(zhì)構(gòu)造和工程結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，更準(zhǔn)確地模擬施工過(guò)程和影響。試驗(yàn)結(jié)果能給人以更直觀的感覺(jué)，使人更容易從全局上把握巖體工程整體力學(xué)特征、變形趨勢(shì)和穩(wěn)定性特點(diǎn)，以及各洞室或結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，從而做出相應(yīng)的判斷。其次，也可以通過(guò)物理模型試驗(yàn)，對(duì)各種數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行一定程度上的驗(yàn)證。與研究壩體、壩基和壩肩及邊坡穩(wěn)定性的三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)36相比，地下洞室群的巖石力學(xué)物理模型試驗(yàn)則有很大的差距。據(jù)文獻(xiàn)檢索，只有少數(shù)幾個(gè)平面模型試驗(yàn)711和小型三維試驗(yàn)12。這些試驗(yàn)均未模擬洞室的施工過(guò)程。其原因主要是模擬地下洞室施工過(guò)程的三維模型試驗(yàn)難度太大，如三維地應(yīng)力場(chǎng)的模擬原理和技術(shù)、洞室群開(kāi)挖尤其是內(nèi)部洞室隱蔽開(kāi)挖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)、內(nèi)部物理量測(cè)量等。本文作者提出并研制了離散化多主應(yīng)力面加載和控制系統(tǒng)，成功解決了復(fù)雜三維初始應(yīng)力場(chǎng)模擬的難題；采用機(jī)械臂和步進(jìn)微型掘進(jìn)機(jī)技術(shù)、微型高精度位移量測(cè)技術(shù)、聲波測(cè)試技術(shù)、光纖測(cè)量及內(nèi)窺攝影技術(shù)等，解決了隱蔽開(kāi)挖模擬及內(nèi)部量測(cè)等關(guān)鍵問(wèn)題，完成了水電站復(fù)雜洞室群模型試驗(yàn)。這一試驗(yàn)成果可應(yīng)用于今后我國(guó)大西南地區(qū)的其它超大型地下水電站的研究。 1工程簡(jiǎn)介 溪洛渡水電站位于四川和云南視壤的金沙江峽谷中13。電站總裝機(jī)容量12600MW，共計(jì)18臺(tái)700MW的水輪發(fā)電機(jī)組。該工程地質(zhì)條件復(fù)雜，地下洞室群布置復(fù)雜、縱橫交錯(cuò)，尤其是左岸地下廠房軸線與最大主應(yīng)力呈較大角度相交，對(duì)廠房洞室穩(wěn)定不利，而且廠房又位于高地震烈度區(qū)(高達(dá)度)，如此超大規(guī)模的地下洞室群在施工期和運(yùn)行過(guò)程長(zhǎng)期安全穩(wěn)定問(wèn)題，都是前所未遇的。電站廠房采用全地下式，分左、右岸地下廠房，各布置9臺(tái)機(jī)組。左岸地下廠房布置在大壩上游山體內(nèi)，總裝機(jī)容量為6300MW.廠房軸線為N24W，三大洞室平行。 圖1左岸地下廠房洞室群布置方案 主廠房尺寸為318.03m31.9/28.40m75.10m(長(zhǎng)寬高)，廠房總長(zhǎng)度426.0m.主變室長(zhǎng)325.52m，寬19.8m，高26.5m.尾水調(diào)壓室長(zhǎng)300.0m，寬26.5/25.0m，高95m，中間設(shè)兩條巖柱隔墻，厚18.0m。如圖1所示。 左岸廠房頂拱圍巖由P24、P25、P26層玄武巖組成。巖體新鮮較完整，無(wú)大的斷層切割，層間錯(cuò)動(dòng)帶一般不發(fā)育。層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶以P26下部及P24、P25層內(nèi)相對(duì)較發(fā)育，錯(cuò)動(dòng)帶一般寬510cm，擠壓緊密，為巖塊巖屑型。裂隙以陡裂和緩裂為主，中傾角裂隙一般不發(fā)育。 2模型相似條件設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)與設(shè)計(jì)單位協(xié)商，確定模型的幾何比尺為1/100，材料容重比尺為1.之所以這樣確定，主要是考慮到開(kāi)挖模擬的可操作性，以及相似物理量之間換算關(guān)系的簡(jiǎn)化。根據(jù)試驗(yàn)相似理論和上述幾何比尺，進(jìn)行了如下的模型相似條件設(shè)計(jì)：用下標(biāo)p代表原型，下標(biāo)m代表模型，K代表相似比尺，L為長(zhǎng)度，u為位稱，E為彈性模量，G為剪切模量，為容重，為應(yīng)力，o為初始地應(yīng)力，為應(yīng)變，為泊松比，為摩擦角，C為粘聚力，Rc為抗壓強(qiáng)度，Rt為抗拉強(qiáng)度。如設(shè)實(shí)際巖體的容重為p，模型材料的容重為m，則容重相似比尺為： 與應(yīng)力有相同量綱的物理量均有與應(yīng)力相同的相似比尺，即材料彈性模量、剪切模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、粘聚力，初始地應(yīng)力和面力荷載的相似比尺均為100. 3試驗(yàn)要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù) 本試驗(yàn)研究對(duì)象為左岸地下廠房洞室群，包括主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、母線道和尾水管。 3.1模擬范圍地下廠房順?biāo)鞣较虻纳舷掠胃魅∪蠖词易畲箝_(kāi)挖跨度的11.5倍長(zhǎng)度，實(shí)際各約為1.27倍，總長(zhǎng)度為620m；沿高程方向的下方取到洞室高度的11.5倍，實(shí)際取為1.45倍1.85倍，達(dá)到海拔200m；上方取到地面，實(shí)際模型作到海拔670m，其上部作為荷載加在模型頂面；沿主廠房的縱軸線方向取3個(gè)機(jī)組段長(zhǎng)度(自5號(hào)機(jī)組中心線至8號(hào)機(jī)組中心線)，為102m.因?yàn)槟Ｐ蛶缀伪瘸邽?/100，所以巖體模型尺寸為長(zhǎng)高寬6.20m4.70m1.02m. 3.2地形及地質(zhì)條件模擬對(duì)模型試驗(yàn)范圍內(nèi)的地形、地貌、地質(zhì)材料和三維地質(zhì)構(gòu)造如層間和層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶進(jìn)行了模擬，模型基本滿足幾何、物理、力學(xué)相似條件。 3.3初始地應(yīng)力場(chǎng)模擬三維原始地應(yīng)力的模擬是本試驗(yàn)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)研究、論證和試驗(yàn)，本試驗(yàn)中首次提出并研制了“離散化多主應(yīng)力面加載及控制系統(tǒng)”，成功地模擬了三維地應(yīng)力場(chǎng)，保證了試驗(yàn)的初始條件。離散型三維多主應(yīng)力面加載系統(tǒng)，是在地質(zhì)力學(xué)模型仿真試驗(yàn)中，首次提出使用的一種能近似模擬復(fù)雜三維空間地應(yīng)力場(chǎng)的加載系統(tǒng)。 它的基本思路來(lái)源于有限元、邊界元、離散元等將研究域離散化進(jìn)行數(shù)值分析的原理，把需要模擬的復(fù)雜變化地應(yīng)力分布場(chǎng)，離散為有限多個(gè)微小的單元應(yīng)力場(chǎng)，并認(rèn)為此單元應(yīng)力場(chǎng)為一個(gè)等效的均勻應(yīng)力場(chǎng)。用一組垂直于該單元應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力矢量的微小主應(yīng)力面，代替原來(lái)的斜截面，并在這一組主應(yīng)力面上按照等效主應(yīng)力的大小施加法向力，就達(dá)到了模擬這一單元應(yīng)力場(chǎng)的目的(如圖2).對(duì)各個(gè)離散的單元應(yīng)力場(chǎng)均進(jìn)行這樣的操作，就可以完成整個(gè)試驗(yàn)域復(fù)雜變化的應(yīng)力場(chǎng)的模擬。 圖2離散化多主應(yīng)力面加載原理示意 這一加載系統(tǒng)由高壓氣囊、反推力板、限位千斤頂、垂直立柱、封閉式鋼結(jié)構(gòu)環(huán)梁、支撐鋼架和空氣壓縮機(jī)組成。此外還有壓力監(jiān)測(cè)和報(bào)警輔助系統(tǒng)，以保證試驗(yàn)期間的壓力穩(wěn)定。 3.4開(kāi)挖過(guò)程模擬按照數(shù)值計(jì)算優(yōu)選的開(kāi)挖步序(如圖3所示)，對(duì)試驗(yàn)范圍內(nèi)地下洞室群的隱蔽開(kāi)挖進(jìn)行了模擬。本試驗(yàn)中隱蔽性開(kāi)挖的洞室包括尾水管和母線廊道，尾水管的隱蔽開(kāi)挖長(zhǎng)度為125m，而且為漸變的城門洞形斷面，母線道斷面也為城門洞形，但是靠近主變室一側(cè)13m一段斷面加大，造成母線道斷面突變。這些都給開(kāi)挖模擬帶來(lái)極大困難。隱蔽開(kāi)挖無(wú)法采用一般的手工鉆進(jìn)方法，需要設(shè)計(jì)專門的鉆鑿機(jī)具。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出隱蔽開(kāi)挖機(jī)器臂和微型步進(jìn)式掘進(jìn)機(jī)，以及與之配合使用的隱蔽洞室內(nèi)窺系統(tǒng)，成功解決了這一技術(shù)難題。如圖4所示。 圖3地下廠房洞室群開(kāi)挖分期設(shè)計(jì) 3.5支護(hù)方案模擬按照數(shù)值計(jì)算優(yōu)選的支護(hù)方案，對(duì)錨固支護(hù)(包括三大洞室的噴混凝土、錨索)進(jìn)行了模擬。按照設(shè)計(jì)支護(hù)方案，錨索按實(shí)際位置模擬并施加預(yù)應(yīng)力。系統(tǒng)錨桿與噴混凝土聯(lián)合模擬為掛金屬絲網(wǎng)涂漿。錨索模擬材料采用金屬鋁線或細(xì)銅絲束，用建筑膠漿固結(jié)，以螺旋加載方式施加預(yù)應(yīng)力。 3.6施工模擬過(guò)程中的多種方式洞室內(nèi)部收斂變形及破壞形態(tài)量測(cè)在主廠房、主變室、尾調(diào)室三個(gè)主要洞室中，采用預(yù)埋多點(diǎn)位移計(jì)方式進(jìn)行了內(nèi)部收斂以及洞周圍巖深度變形量測(cè)；采用光導(dǎo)纖維進(jìn)行了內(nèi)部變形的量測(cè)；采用超聲波測(cè)量方法進(jìn)行了洞周圍巖屈服松動(dòng)區(qū)的量測(cè)；采用內(nèi)部攝影方式進(jìn)行了內(nèi)部破壞形態(tài)的觀測(cè)。 3.7內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)分布量測(cè)在主廠房、主變室、尾調(diào)室圍巖中的適當(dāng)位置，預(yù)埋三向應(yīng)變計(jì)、應(yīng)變花，進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)分布量測(cè)。在重要位置，預(yù)埋光纖傳感器，與應(yīng)變片測(cè)量相比較，測(cè)量應(yīng)力場(chǎng)分布。 圖4隱蔽洞室開(kāi)挖微型步進(jìn)TBM示意 4試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果 試驗(yàn)自2000年5月開(kāi)始各項(xiàng)前期工作，包括場(chǎng)地準(zhǔn)備、試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)和施工、模型材料設(shè)計(jì)和試驗(yàn)、模型制作和傳感器埋設(shè)、地應(yīng)力場(chǎng)生成和監(jiān)控系統(tǒng)研制、隱蔽洞室開(kāi)挖系統(tǒng)研制和試運(yùn)行、測(cè)量?jī)x器的研制和準(zhǔn)備等。2001年7月15日正式實(shí)施洞室開(kāi)挖模擬，量測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行同步量測(cè)，采集數(shù)據(jù)，至2001年8月18日完成洞室群開(kāi)挖。試驗(yàn)得出的洞群圍巖變形、應(yīng)力應(yīng)變、屈服區(qū)分布等情況如下。 4.1位移主廠房頂拱最大下沉為37.5mm，主變室頂拱下沉為23mm，尾水調(diào)壓室頂拱為34mm.各個(gè)洞室頂拱的變形隨開(kāi)挖量的增加均以下沉為主，開(kāi)挖后期伴隨有少量的上抬。這與同時(shí)進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算相比頂拱位移偏大一些，這是由于模型試驗(yàn)中準(zhǔn)確地模擬了層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶的影響，而計(jì)算中則有所簡(jiǎn)化。尾水調(diào)壓室邊墻比主廠房邊墻高20多米，初估最大水平位移應(yīng)該更大些，但尾水調(diào)壓室中間隔墻起到了限制變形的作用，從而減少了水平位移值。主變室與尾水調(diào)壓室之間巖柱的上下游方向水平尺寸有所增大。 圖5地下廠房洞周圍巖位移分布 而主廠房與主變室之間的巖柱在上下游方向則有所壓縮，是由于母線道對(duì)這部分巖柱削弱較多引起的。試驗(yàn)中所揭示的各個(gè)方向的位移量均不大，分布合理。除三大洞室頂拱位移比計(jì)算值略大之外，其它與計(jì)算值都很接近，洞周沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的開(kāi)裂或位移突變。圖5給出了洞周圍巖位移分布。 4.2應(yīng)力主廠房上游拱肩和拱腳處、尾水調(diào)壓室上游拱肩和拱腳處均有拉應(yīng)力出現(xiàn)。尾水調(diào)壓室下游邊墻5m范圍內(nèi)的巖體大部分存在拉應(yīng)力，10m之外則呈現(xiàn)為壓應(yīng)力。隨開(kāi)挖的進(jìn)行，洞室交叉部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，凡是壓應(yīng)力的則壓應(yīng)變值為原來(lái)的1.52.2倍。產(chǎn)生拉應(yīng)力的部位則給出了很大的拉應(yīng)變值，明顯不大合理，可能是粘貼應(yīng)變片的塊體發(fā)生破裂造成的。但是可以從中判斷是出現(xiàn)了拉應(yīng)力。拉、壓應(yīng)力分布范圍與計(jì)算結(jié)果接近。光纖傳感器量測(cè)的結(jié)果比較有規(guī)律，隨尾水調(diào)壓室高邊墻的逐漸形成，邊墻表面巖體應(yīng)力松馳，壓應(yīng)力降低甚至產(chǎn)生拉應(yīng)力，而壓應(yīng)力分布有向深部巖體傳遞的趨勢(shì)。 4.3超聲波測(cè)量試驗(yàn)中采用超聲波測(cè)速與位移沿巖體深度分布規(guī)律相結(jié)合的方法判斷屈服松動(dòng)區(qū)。洞周巖體波速最低處為尾水調(diào)壓室的底部和頂拱，波速比未開(kāi)挖前降低了40%50%.三大洞室頂拱的巖體波速，主變室頂拱最高，達(dá)9001000m/s，主廠房頂拱次之，為800900m/s，尾調(diào)室頂拱最低，為400500m/s.與地質(zhì)剖面相比較可以看出，這一結(jié)果恰恰和這些洞室所在地層及地質(zhì)構(gòu)造相吻合。根據(jù)聲波測(cè)量和位移測(cè)量結(jié)果的綜合比較和分析，得到各洞室周圍屈服區(qū)的范圍(圖6). 圖6地下廠房洞周屈服區(qū)分布 4.4錨固支護(hù)系統(tǒng)根據(jù)地下工程圍巖穩(wěn)定性分析的經(jīng)驗(yàn)，洞室圍巖越穩(wěn)定，圍巖的整體性越好(早期噴錨支護(hù)可以增加這種整體性)，則在后期開(kāi)挖過(guò)程中，洞室上抬的趨勢(shì)越明顯。XA-22支護(hù)方案在主廠房頂拱埋設(shè)的兩排錨索，穿過(guò)了層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶，增加了頂拱的整體性，是很必要的。雖然本試驗(yàn)中尚不能定量地比較這種錨固的作用，但定性上已經(jīng)可以說(shuō)明模擬的錨固系統(tǒng)對(duì)增加洞室圍巖的完整性和整體性，起了明顯的作用，這是數(shù)值計(jì)算中沒(méi)有反映出來(lái)的。通過(guò)對(duì)模型錨索應(yīng)力的測(cè)量，反映出對(duì)目前的開(kāi)挖方案，錨索應(yīng)力有明顯增加。因?yàn)槲舱{(diào)室是上下先開(kāi)挖然后中間再挖通，高邊墻有一個(gè)突然形成的過(guò)程。雖然這一情況因?yàn)橹虚g隔墻的存在而減弱，但對(duì)離隔墻遠(yuǎn)一些的部位仍有一定的沖擊作用?？紤]到這一點(diǎn)，尾調(diào)室上下游邊墻錨索的預(yù)應(yīng)力施加應(yīng)有所控制，而隔墻的加固應(yīng)適當(dāng)提前。 5結(jié)論 (1)本試驗(yàn)是首次大規(guī)模三維仿真模擬地下洞室群的施工過(guò)程。它成功模擬了高容重巖體材料和巖體構(gòu)造，容重比尺1比1；研制了離散化多主應(yīng)力面加載系統(tǒng)，使模擬復(fù)雜三維初始地應(yīng)力場(chǎng)得以實(shí)現(xiàn)；研制了用機(jī)械臂和步進(jìn)微型掘進(jìn)機(jī)，仿真模擬了施工過(guò)程；研制微型多點(diǎn)位移計(jì)，采用聲波測(cè)試、內(nèi)窺技術(shù)等多種測(cè)量手段進(jìn)行了內(nèi)部物理量的測(cè)量。(2)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了在廠區(qū)特有的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力條件下，該水電站地下廠房洞室群的總體布置、洞型設(shè)計(jì)、洞室間距是合理的。主變室滯后主廠房和尾水調(diào)壓室開(kāi)挖一期的施工方案以及錨固支護(hù)方案，保證了洞室安全成洞。在試驗(yàn)開(kāi)挖過(guò)程中，洞室群保持了總體穩(wěn)定，主要洞室周邊未出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂及變形突變。洞周圍巖屈服松動(dòng)區(qū)分布，與廠區(qū)地質(zhì)條件和洞室斷面情況及空間相對(duì)關(guān)系有較好的吻合。推薦的支護(hù)方案對(duì)洞室整體性的加強(qiáng)有明顯的作用，并有效地控制了松動(dòng)區(qū)的發(fā)展。(3)試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)條件復(fù)雜的超大型地下洞室群進(jìn)行三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)可以從全局上把握地下洞室工程整體力學(xué)特征、變形趨勢(shì)和穩(wěn)定性特點(diǎn)，并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和校核。6