枸皮灘水利樞紐地下廠房區(qū)地應(yīng)力場分析

第23卷第23期巖石力學(xué)與工程學(xué)報23(23)：4006～4011 2004年12月chinesejournalofrockmechanicsandengineeringdec.，2004 2004年3月29日收到初稿，2004年5月26日收到修改稿。 *國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目(2002cb412708)及中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所前沿領(lǐng)域基金(q000216)資助課題。 作者梅松華簡介：男，29歲，2001年于長沙礦冶研究院獲采礦工程專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)為河北大學(xué)講師、中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所在職博士 研究生，主要從事巖石力學(xué)數(shù)值計算方面的研究工作。e-mail：msh_mail@sina.com。 龍灘水電站左岸地下廠房區(qū) 三維地應(yīng)力場反演分析* 梅松華1 ，2 盛謙

在龍灘地下廠房區(qū)工程地質(zhì)和試驗洞變形監(jiān)測結(jié)果綜合分析的基礎(chǔ)上,建立地質(zhì)概化和試驗洞施工開挖模型;采用地應(yīng)力場隨埋深變化呈線性分布的假設(shè),并根據(jù)地應(yīng)力測試成果,確定地應(yīng)力場的分布區(qū)間。在此基礎(chǔ)上,采用均勻設(shè)計方法和三維顯式有限差分法,通過模擬試驗洞的開挖變形,對龍灘水電站廠房區(qū)巖體地應(yīng)力場進(jìn)行了三維變形反演分析。對比計算位移和監(jiān)測位移,計算各方案的位移目標(biāo)函數(shù),獲得了巖體地應(yīng)力場沿深度的分布規(guī)律。比較監(jiān)測與計算位移,兩者在量值上相當(dāng),在變形趨勢上也基本相同,而且實測與計算所得的地應(yīng)力值較吻合,表明所獲得的巖體地應(yīng)力場是基本合理的,同時說明此反演方法簡便、有效。

根據(jù)百色水利樞紐壩址地質(zhì)條件與升壓配電設(shè)備選型比較情況,結(jié)合工程布置概況,著重分析了地下洞室主變不進(jìn)洞和主變進(jìn)洞2個方案,最后得出地下洞室布置的最佳方案。

百色水利樞紐地下廠房巖壁梁開挖技術(shù)——百色水利樞紐地下廠房輝綠巖地質(zhì)構(gòu)造細(xì)微隱性節(jié)理發(fā)育、完整性較差，為保護(hù)巖壁梁開挖成型，施工中在傳統(tǒng)開挖方法的基礎(chǔ)上將巖壁梁的保護(hù)層和巖臺區(qū)分為二次開挖，取得了良好的效果，為不良地質(zhì)條件下的巖壁梁開挖闖出了...

百色水利樞紐地下廠房輝綠巖地質(zhì)構(gòu)造細(xì)微隱性節(jié)理發(fā)育、完整性較差,為保護(hù)巖壁梁開挖成型,施工中在傳統(tǒng)開挖方法的基礎(chǔ)上將巖壁梁的保護(hù)層和巖臺區(qū)分為二次開挖,取得了良好的效果,為不良地質(zhì)條件下的巖壁梁開挖闖出了一條新路子。

百色地下廠房洞室群滲控采用\"廠外堵排為主、廠內(nèi)排水為輔\"為原則的獨立防滲排水系統(tǒng)。該滲控方案壩基下灌漿帷幕與廠區(qū)灌漿帷幕之間是不連續(xù)的,留有很大的天窗,是否可行需進(jìn)行分析評價。在該課題滲流場的有限單元法求解中,采用了固定網(wǎng)格求解有自由面滲流問題的結(jié)點虛流量法和排水孔排水子結(jié)構(gòu)技術(shù),在算法上較精確地確定和模擬所有地下洞室周壁面和計算域地表面中的可能滲流逸出面的真實大小和滲流狀態(tài),并由于采用仿真排水孔的孔徑、孔距和孔深等幾何參數(shù),因此能較真實地反映出排水孔的三維滲流特性。該工程的滲控設(shè)施現(xiàn)已經(jīng)歷了兩年運行考驗,觀測數(shù)據(jù)與計算分析成果基本一致。說明該滲流數(shù)值分析方法符合實際,設(shè)計所采用的滲控方案可行,值得在同類工程中推廣應(yīng)用。

結(jié)合糯扎渡水電站地下廠房區(qū)域地形地質(zhì)條件,考慮了自重和地質(zhì)構(gòu)造作用兩個主要因素對初始地應(yīng)力場的影響,利用有限幾個測點的實測應(yīng)力資料對地下廠房區(qū)域內(nèi)的地應(yīng)力場進(jìn)行三維有限元回歸分析,揭示了該地質(zhì)區(qū)域內(nèi)的初始地應(yīng)力場分布規(guī)律,為地下廠房的位置選擇和圍巖穩(wěn)定性分析提供了依據(jù)。

巖體初始地應(yīng)力場是影響巖體變形與穩(wěn)定的主要力源,也是巖土工程設(shè)計和施工中考慮的主要因素之一,尤其是在大型地下工程建設(shè)中顯得尤為重要。根據(jù)某水電站廠區(qū)的地質(zhì)條件及地應(yīng)力實測資料,運用有限元數(shù)值分析方法,對壩址區(qū)初始應(yīng)力場進(jìn)行了回歸反演分析,通過多方案篩選,取得了較為客觀合理的初始地應(yīng)力場,為地下廠房的設(shè)計和施工提供了可靠依據(jù),其方法可供類似工程參考。

針對本工程獨特的水文地質(zhì)條件,論述廠區(qū)洞室的滲控設(shè)計,采取在廠外設(shè)置一道排水孔幕并在其外側(cè)設(shè)置防滲帷幕的滲控措施。經(jīng)廠區(qū)滲流場計算分析,結(jié)果顯示所采取的滲控措施有良好的效果

結(jié)合某水電站地下廠房區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件以及實測地應(yīng)力資料,分析影響區(qū)域初始地應(yīng)力的因素;以ansys作為有限元計算工具,計算各影響因素下廠區(qū)地應(yīng)力值;在實測點勘察獲得的地應(yīng)力值與計算得到的地應(yīng)力值之間建立多元回歸模型,求出回歸系數(shù),從而獲取廠區(qū)初始地應(yīng)力場分布規(guī)律,為地下廠房設(shè)計與開挖施工提供了合理的三維初始地應(yīng)力場.

大崗山水電站地下廠房區(qū)三維地應(yīng)力場反演分析——初始地應(yīng)力場是地下廠房工程設(shè)計和穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)，通常工程區(qū)實測地應(yīng)力點較少，必須在有限的地應(yīng)力資料基礎(chǔ)上，采用反演分析方法獲得整個工程區(qū)地應(yīng)力場。結(jié)合大崗山水電站地形地貌條件和地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，...

初始地應(yīng)力場是地下廠房工程設(shè)計和穩(wěn)定性分析的重要依據(jù),通常工程區(qū)實測地應(yīng)力點較少,必須在有限的地應(yīng)力資料基礎(chǔ)上,采用反演分析方法獲得整個工程區(qū)地應(yīng)力場。結(jié)合大崗山水電站地形地貌條件和地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征,基于地下廠房區(qū)地應(yīng)力實測資料,研究了地下廠房區(qū)地應(yīng)力場分布特征;在此基礎(chǔ)上,采用有限元數(shù)學(xué)模型多元回歸方法,進(jìn)行了大崗山水電站地下廠房地應(yīng)力場三維反演分析研究,獲得了地下廠房區(qū)域地應(yīng)力分布規(guī)律和影響因素的認(rèn)識。結(jié)果表明,大崗山工程區(qū)地應(yīng)力場分布受構(gòu)造應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌的綜合影響,巖性對地應(yīng)力影響較小,巖脈與斷層影響顯著;在地下廠房區(qū)最大水平主應(yīng)力σh、最小水平主應(yīng)力σv、鉛直向應(yīng)力σh關(guān)系為σh>σv>σh,地應(yīng)力量值中等,側(cè)壓力系數(shù)垂直廠房軸線方向為0.5～0.6,軸線方向為1.1～1.3。

本文分析了小浪底水利樞紐地下廠房區(qū)裂隙的成生地質(zhì)環(huán)境,并重點從裂隙的分布規(guī)律、裂隙的延續(xù)性、切割深度、裂隙面的特征等幾方面來分析裂隙的發(fā)育規(guī)律,據(jù)此采用巴頓q系統(tǒng)分類、比尼威斯基rmr分類和昆明院分類對地下廠房的圍巖進(jìn)行分類研究,為地下廠房的設(shè)計和施工提供依據(jù)。本文對此裂隙系統(tǒng)統(tǒng)計資料和圍巖分類已被黃委設(shè)計院采納。

針對水布坯水利樞紐工程地下式電站廠房，以巖塊的力學(xué)性質(zhì)試驗為基礎(chǔ)，對圍巖體的基本力學(xué)屬性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對重要的變形及強(qiáng)度試驗成果進(jìn)行了對比試驗，并就某些測試技術(shù)提出了有益的建議。

黃河大柳樹水利樞紐壩區(qū)巖體大范圍發(fā)生了松動,確定其滲透特性指標(biāo)并進(jìn)行滲流場與應(yīng)力場耦合分析具有重要的現(xiàn)實意義。首先,根據(jù)壩區(qū)兩岸平硐內(nèi)測量的優(yōu)勢節(jié)理裂隙組資料和左岸固結(jié)灌漿試驗資料,綜合確定壩區(qū)巖體初始滲透系數(shù)張量;然后,應(yīng)用多重裂隙網(wǎng)絡(luò)模型,進(jìn)行3個重要斷面的滲流場與應(yīng)力場耦合分析?？梢钥闯?壩區(qū)工程范圍內(nèi)巖體滲透性很強(qiáng),初始滲透系數(shù)張量量級達(dá)10~(-5)～10~(-4)m/s;繞壩滲流的兩個斷面(a-a,b-b)主要是滲流損失問題,通過壩基滲流的斷面(c-c)在壩踵處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

對樂昌峽水利樞紐地下廠房工程地質(zhì)情況進(jìn)行整理與研究,分析其地質(zhì)條件,并對圍巖進(jìn)行分類,進(jìn)而論證地下廠房的圍巖穩(wěn)定性,對廠房的工程地質(zhì)條件進(jìn)行綜述,并對圍巖穩(wěn)定問題作出分析評價。

介紹了小浪底水利樞紐地下廠房巖體力學(xué)行為數(shù)值分析的過程和方法,包括采用的屈服準(zhǔn)則、三維幾何模型、巖體力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力場、開挖過程模擬和支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬方法。給出了1.0和0.8兩種側(cè)壓力系數(shù)下,無支護(hù)結(jié)構(gòu)、無預(yù)應(yīng)力錨索有錨桿有襯砌、有預(yù)應(yīng)力錨索有錨桿有襯砌3種情況的計算結(jié)果,研究結(jié)果表明:(1)支護(hù)結(jié)構(gòu)對限制圍巖位移和塑性區(qū)開展作用不大,但對于固定松動破碎巖塊、防止洞周局部崩塌脫落有不可缺少的作用;(2)開挖過程對預(yù)應(yīng)力錨索拉力影響不大;(3)開挖過程引起混凝土襯砌較大拉應(yīng)力,圍巖表面的鋼筋網(wǎng),對于限制襯砌開裂和防止其脫落,有重要作用。

1工程概況樂昌峽水利樞紐巖壁吊車梁位于主廠房第ⅱ層上下游邊墻,長均為93.76m,樁號為廠橫0+000.00~廠橫0+093.76,梁高2.45m,立面高程為110.45~112.90m,頂寬1.85m。

巖壁吊車梁是一項新技術(shù)，目前尚無規(guī)范可循，需要在實踐中不斷總結(jié)、優(yōu)化。主要敘述了百色水利樞紐地下廠房巖壁吊車梁的設(shè)計過程及一些問題的探討。

對百色水利樞紐地下廠房的滲控方案,提出了加深大壩防滲帷幕至相對隔水層方案和廠前設(shè)置獨立的防滲排水系統(tǒng)2個方案。通過滲流場三維滲流數(shù)學(xué)模型有限元分析,論證了設(shè)置獨立的防滲排水系統(tǒng)的可行性,對其可能出現(xiàn)的風(fēng)險進(jìn)行了評估,并提出了當(dāng)出現(xiàn)滲流異常時防止對左岸壩后的山體穩(wěn)定以及地下廠房帶來不利影響的預(yù)防措施和補(bǔ)救措施。該滲控方案已經(jīng)歷了2年高水位運行,監(jiān)測成果與分析計算成果基本一致,說明設(shè)計所采用的滲控方案是成功的。

百色水利樞紐地下廠房的布置存在廠房上游邊墻距上游蝕變帶很近,且主變洞與主機(jī)洞之間巖柱厚度小,主變尾上覆巖體厚度不足,輝綠巖裂隙發(fā)育,洞室軸線走向與巖層走向一致,與地應(yīng)力方向正交,廠前地下水凹槽對洞室上游邊墻形成較大的滲透壓力等問題。介紹了地下廠房總體布置方案,大跨度、淺埋深、小間距洞室群圍巖穩(wěn)定性,地下廠房圍巖塊體穩(wěn)定性,地下廠房巖錨梁方案,地下廠房滲控方案及"四合一"尾水系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)研究的主要成果。

江埡地下廠房工程主廠房、主變洞、尾調(diào)室三大洞室中,尾調(diào)室因下游洪水位高,建成后為三大洞中最高洞室,又長期處于水下不利運行條件,另高尾水位涉及廠房防洪問題。為確保洞室圍巖穩(wěn)定和廠房防洪安全,采用二維及三維有限元計算分析洞室圍巖穩(wěn)定性,進(jìn)行水電站過渡過程分析滿足水電站的調(diào)保要求和防洪安全,又通過水工模型試驗驗證優(yōu)化設(shè)計方案。設(shè)計上選擇阻抗式尾調(diào)室,規(guī)定電站運行規(guī)程等措施降低尾調(diào)室涌浪水位從而達(dá)到降低洞高的目的,獲得洞室圍巖穩(wěn)定及廠房防洪安全,又節(jié)省工程量的整體最優(yōu)效益。