左岸泄洪洞無壓段施工數(shù)值模擬與監(jiān)測分析.ppt

1、a,1,左岸泄洪洞無壓段開挖支護(hù)施工 數(shù)值模擬與監(jiān)測分析,作者：楊 勇 劉正樹 匯報：劉正樹,2009年10月,a,2,摘要： 本文介紹了溪洛渡水電站左岸泄洪洞無壓段開挖支護(hù)施工方案。結(jié)合左岸泄洪洞無壓段圍巖物理力學(xué)參數(shù)、支護(hù)參數(shù)，利用phase2二維有限元分析軟件對各開挖支護(hù)過程位移進(jìn)行了數(shù)值模擬。同時對施工期監(jiān)測方案進(jìn)行了介紹，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,a,3,1、引言 溪洛渡水電站是金沙江干流梯級規(guī)劃方案中規(guī)模最大的水電站，由雙曲拱壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成，最大壩高278.00m，總裝機(jī)容量1260萬kw。 左岸布置有1#、2#兩條泄洪洞，其軸線平行，中心間距為50.00m。進(jìn)口

2、軸線方位角NE86.19，出口軸線方位角NW31.81，泄洪洞為有壓接無壓，洞內(nèi)龍落尾型式,a,4,左岸泄洪洞無壓段是左岸泄洪洞水道重要組成部分，其開挖斷面大、邊墻高、軸線長，襯砌后凈空面積約250m2，為有壓段襯砌后凈空面積的1.41倍。1#泄洪洞無壓段直坡段長766.78m，2#泄洪洞無壓直坡段長623.06m，底坡均為i= 0.023。 筆者根據(jù)溪洛渡左岸泄洪無壓段開挖支護(hù)參數(shù)、物理力學(xué)參數(shù)、施工方案，利用2維有限元軟件對開挖支護(hù)過程位移進(jìn)行數(shù)值模擬，并對監(jiān)測情況進(jìn)行介紹分析，供參考,a,5,2、設(shè)計開挖支護(hù)參數(shù) 左岸泄洪洞無壓段開挖斷面為圓拱直墻型，根據(jù)圍巖類別不同主要三種開挖支護(hù)參數(shù)

3、： 類圍巖：開挖斷面15.7m20.65m，頂拱開挖半徑8.85m，頂拱及側(cè)墻素噴5cm厚C25砼,布置25、L=4.5m錨桿、外露0.5m、間排距2m,a,6,1類圍巖：開挖斷面16.2m21.1m、頂拱開挖半徑9.10m，頂拱及側(cè)墻素噴10cm 厚C25砼，頂拱及側(cè)墻上部3m范圍交替布置25、L=4.5m錨桿與28、L=6.0m錨桿、外露0.5m、間排距2m，其余范圍布置25、L=4.5m錨桿、外露0.5m、間排距2m。 2類圍巖：開挖斷面尺寸同1類圍巖，支護(hù)形式：頂拱及側(cè)墻噴10cm 厚C25砼，頂拱及側(cè)墻上部3m范圍布置28、L=6.0m錨桿、外露0.5m、間排距1.5m，其余范圍交替

4、布置25、L=4.5m錨桿與28、L=6.0m錨桿、外露0.5m、間排距2m，頂拱及側(cè)墻上部3m范圍掛網(wǎng)6.5150*150,a,7,3、地質(zhì)條件 溪洛渡工程在區(qū)域地貌上位于青藏高原和云貴高原向四川盆地過渡的斜坡地帶，地勢總體呈西高東低之勢，山脈走向受地質(zhì)構(gòu)造控制，以近南北及北東向為主。 左岸泄洪洞深埋段上覆巖體厚100250m，水平埋深200500m。沿線洞身圍巖以、1類為主，部分2類。沿線地層巖性為P29 P212層致密狀玄武巖及角礫(集塊)熔巖。沿線地層巖質(zhì)堅硬，巖體新鮮，嵌合緊密，巖體多呈塊狀次塊狀結(jié)構(gòu)，局部層間、層內(nèi)錯動帶發(fā)育段巖體呈鑲嵌結(jié)構(gòu),a,8,表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表,a,9

5、,溪洛渡地區(qū)地應(yīng)力三向應(yīng)力值1=14.7921.06MPa，平均值為17.94MPa；2=10.0515.85MPa，平均值為13.10MPa；3=4.057.59MPa，平均值為5.73MPa。2傾角較陡，1、3傾角平緩。三向應(yīng)力之比為：1/2=1.37；1/3=3.14；2/3=2.29。2傾角較陡，1、3傾角平緩。在埋深較大的狀態(tài)下，天然地應(yīng)力場仍以近水平的構(gòu)造應(yīng)力為主。 1總體方向以NW向為主，近水平，與岸坡呈1030的夾角。2的方向中有7組方向為S1478W；6組方向為N1068W，傾角均大于60。3的方向中有10組方向為N3555E；2組方向為N1025E；1組方向為N15W，傾角

6、均小于30,a,10,4、施工程序與方法 4.1、施工程序 左岸泄洪洞無壓段斷面大，故采取“三層四序”進(jìn)行開挖支護(hù)施工。對1、2類圍巖，層開挖高度8.45m, 層開挖高度9.45m，層開挖高度3.2m。 施工程序： 層A區(qū)開挖、支護(hù)（1序） 層B區(qū)開挖、支護(hù)（2序） 層開挖、支護(hù)（3序） 層開挖、支護(hù)（4序,a,11,4.2、施工方法 （1）中導(dǎo)洞及兩側(cè)墻開挖：采用周邊光面爆破技術(shù)，YT28手風(fēng)鉆造水平孔，循環(huán)進(jìn)尺控制在2.5m3.0m；周邊孔距離控制在45cm，光爆層厚控制60cm；周邊孔采用不偶合間隔裝藥，導(dǎo)爆索起爆，線裝藥密度約120g/m；中導(dǎo)洞炸藥單耗約1.1kg/m3，擴(kuò)挖炸藥單耗

7、約0.65kg/m3；采用1.6m3反鏟進(jìn)行掌子面排險、清理危石，3.0m3裝載機(jī)輔助端爆破臺車；采用3.0m3裝載機(jī)或1.6m3反鏟裝20T自卸汽車出渣,a,12,a,13,a,14,2）無壓段層開挖： 采用邊墻一次預(yù)裂到底梯段爆破技術(shù)，預(yù)裂孔和緩沖孔采用100E潛孔鉆施工，主爆孔采用D7液壓鉆造孔或100B施工，每一爆破梯段長度控制在10m內(nèi)；邊墻預(yù)裂要求層擴(kuò)挖技術(shù)超挖1520cm空間，以便100E鉆機(jī)能貼到輪廓線施工，架設(shè)100E鉆機(jī)的樣架必須穩(wěn)固；預(yù)裂孔間距70cm，線裝藥約500g/m；緩沖孔孔距1.51.8m，與預(yù)裂孔距離1.01.2m；主爆孔間排距22.5m；炸藥單耗約0.60k

8、g/m3；采用1.6m3反鏟裝20T自卸汽車出渣,a,15,3）無壓段層開挖： 采用底板光面爆破技術(shù)，YT28手風(fēng)鉆造水平孔，循環(huán)進(jìn)尺控制在2.5m3.0m；光爆孔孔距離控制在45cm左右，采用不偶合間隔裝藥，導(dǎo)爆索起爆，線裝藥密度約120g/m；炸藥單耗約0.6kg/m3；采用1.6m3反鏟進(jìn)行掌子面清理；用1.6m3反鏟裝20T自卸汽車出渣,a,16,a,17,a,18,4）支護(hù)： 錨桿主要采用T11多臂鉆造孔，局部錨桿采用手風(fēng)鉆造孔，采用DEGUNA20T錨桿注漿泵注漿，4.5m、6m錨桿采用先注漿后插桿辦法施工，9m錨桿采用先插桿后注漿辦法施工，插桿注漿由人工站在吊車臂頭作業(yè)籃里進(jìn)行,

9、錨桿注漿密實度采用無損檢測儀進(jìn)行檢測；洞內(nèi)噴砼采用濕噴作業(yè)，噴砼由布置在中心場的HZS90站拌制，6.0m3砼攪拌車運輸，麥斯特噴漿手進(jìn)行噴射施工，局部噴砼采用用TK-961濕噴機(jī)進(jìn)行施工，采用無堿速凝劑,a,19,5、數(shù)值模擬 5.1、模型范圍及邊界條件 本次數(shù)值模擬以無壓段各類圍巖條件下開挖支護(hù)過程為對象，計算范圍取無壓段3倍洞徑，寬100m，高130m。模型采用四周約束邊界，假定邊界點位移為零。巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1，噴砼、錨桿力學(xué)參數(shù)見表2。 原始地應(yīng)力取值：根據(jù)溪洛渡壩區(qū)地應(yīng)力測試成果分析，相對而言泄洪洞埋深不大，地應(yīng)力較低，故本次模擬取三向應(yīng)力的低值，即取1=14.79MPa，2=

10、10.05MPa，3=4.05MPa進(jìn)行開挖支護(hù)變形數(shù)值模擬分析,a,20,三向應(yīng)力的作用方向：1總體方向以NW向為主，近水平，故1作用方向基本沿?zé)o壓段軸線方向；3總體方向以N3555E為主，傾角小于30，故可近似認(rèn)為3作用方向垂直無壓段橫斷面邊墻。2總體方向向下，傾角大于60,表2 噴砼錨桿力學(xué)參數(shù)表,a,21,5.2、計算程序 利用PHASE2程序進(jìn)行計算，PHASE2是一個二維彈塑性有限元分析程序，主要功能是分析巖土體在外力作用下的應(yīng)力和位移，它的用戶界面設(shè)計遵循著標(biāo)準(zhǔn)的Windows 程序標(biāo)準(zhǔn)，用戶界面設(shè)計友好，便于操作。 PHASE2 包括三個模塊：前處理器Model，計算模塊Com

11、pute，后處理器Interpret.。Model用來交互地輸入處理問題的幾何形狀（包括支護(hù)）以及定義材料參數(shù)，Compute 用來進(jìn)行有限元計算，Interpret 用來顯示計算結(jié)果,a,22,表3 各類圍巖在不同開挖支護(hù)階段末最大位移計算值 mm,a,23,從表3、圖28可以看出泄洪洞無壓段： （1）不同類別圍巖，圍巖越差，位移越大。 （2）同一種圍巖，開挖斷面越大，位移則越大?？拷_挖界面巖體位移大，遠(yuǎn)離開挖界面巖體位移小。 （3）開挖跨度越大，頂拱位移越大；開挖高度越大，側(cè)墻位移越大。 （4）1序和2序之間位移變化率較大，2序和3序、4序之間位移變化率較小，說明頂拱位移受跨度影響比較大

12、，而側(cè)墻位移受高度的影響相比頂拱而言較小。由此可以判斷泄洪洞無壓段層開挖支護(hù)分兩序進(jìn)行還是非常有必要。 （5）各類圍巖在第4序開挖支護(hù)完成后，均在頂拱發(fā)生了最大位移,a,24,圖2：各類圍巖各序末位移變形折線圖,a,25,圖3：1類圍巖1序位移變形圖,a,26,圖4：1類圍巖2序位移變形圖,a,27,圖5：1類圍巖3序位移變形圖,a,28,圖6：1類圍巖4序位移變形圖,a,29,圖7：2類圍巖4序位移變形圖,圖8：類圍巖4序位移變形圖,a,30,表4 1類圍巖最大位移計算值 mm,從表4可以看，地應(yīng)力是引起位移的主要原因，地應(yīng)力對位移的影響隨著開挖斷面的加大而不斷重新分布成增大趨勢；重力是引起

13、位移的次要原因，重力對位移的影響基本上不隨開挖斷面加大而變化,a,31,6 安全監(jiān)測,6.1容許變形量 由于巖體條件的復(fù)雜多變和工程不確定因素太多，我國水利水電工程系統(tǒng)至今尚無可供普遍使用的地下工程“設(shè)計容許變形量”，國外前蘇聯(lián)學(xué)者曾提出的如下經(jīng)驗公式可參考，據(jù)此算得泄洪洞無壓段最終開挖容許變形量見表5,拱頂容許變形量,邊墻容許變形量,式中：f為堅固系數(shù)；L為洞室跨度（m）；H為邊墻自拱腳至底板的高度（m）；2值一般從拱腳起算（1/32/3）H段內(nèi)測定,a,32,表5 各類圍巖最大允許變形量 mm,將表5成果與前述數(shù)字模擬成果對比分析，可見泄洪洞無壓段各類圍巖開挖支護(hù)模擬頂拱邊墻最大變形量基本

14、都在表5成果區(qū)間內(nèi)，由此表明泄洪洞無壓段各類圍巖支護(hù)參數(shù)是合理的，開挖支護(hù)方案也是合理的,a,33,6.2 趨向穩(wěn)定判別,當(dāng)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)具備以下變化特征時，將趨向穩(wěn)定： （1）隨著開挖面的遠(yuǎn)離，測值變化速率有逐漸減緩趨勢； （2）隧洞收斂量已達(dá)到最大允許收斂斂的90%時； （3）周邊收斂速率小于0.2mm/d；頂拱或底板位移速率小于0.1mm/d,a,34,6.3 監(jiān)測方案及成果,6.3.1收斂觀測 我局根據(jù)溪洛渡工程左岸泄洪洞施工特點，收斂測點采取分階段布置。1序按三點三線進(jìn)行監(jiān)測，頂拱1測點，兩側(cè)墻各布置1測點；2序按按三點三線進(jìn)行監(jiān)測，頂拱測點利用1序已布置測點，兩側(cè)墻重新布置測點；3

15、序在2序基礎(chǔ)上增加兩點，按五點六線進(jìn)行監(jiān)測；4序不用重新布置測點，直接利用前兩序布置測點，仍然按五點六線進(jìn)行監(jiān)測。每隔5070m設(shè)置一組斷面。 1序、2序，采用鋼尺收斂計進(jìn)行收斂觀測。收斂觀測斷面測量錨點采用25螺紋鋼筋自制加工，前端為“O型圈”并采取防銹處理措施；測量錨點鋼筋采用鉆孔灌漿固定，錨固長度約1.0m；鋼筋總長度依據(jù)噴砼厚度確定，測點“O型圈”距噴砼表面為5cm,a,35,3序、4序，考慮到泄洪洞斷面大，受登高設(shè)備限制，擬在斷面測點位置安裝棱鏡，改用多功能全站儀進(jìn)行收斂監(jiān)測。在施工過程中，對已埋設(shè)的菱鏡加以保護(hù)。 在測點安裝后立即進(jìn)行觀測，確定基準(zhǔn)值；在洞室開挖或支護(hù)后的115天內(nèi)

16、，每天應(yīng)觀測12次；當(dāng)掌子面推進(jìn)到距觀測斷面大于2倍洞跨度后，2天觀測1次；變形穩(wěn)定后，每周觀測1次。從目前收斂觀測成果看，測得泄洪洞無壓段最大收斂值約5mm。需要說明的是，收斂變形量數(shù)據(jù)是在開挖后取得，施工過程測點受爆破影響較大,a,36,2條泄洪洞無壓段，共布置有8個聲波測試斷面。每個斷面布置6個聲波測試孔，其中山內(nèi)、外側(cè)拱角各1個鉆孔，孔向垂直洞壁，向上傾斜3045，在邊墻距底板1/3處及2/3處左右側(cè)墻各布置一個鉆孔，孔向垂直洞壁，向下傾斜510。所有聲波孔造孔孔深12m，孔徑不小于55mm，鉆孔完成后用清水沖洗干凈。 聲波測試采用WSD-2數(shù)字聲波儀，水作耦合劑。自孔底向孔口方向施測，測點距20cm。從8個斷面，48個測孔成果反映：圍巖平均松動圈約0.41.2m,6.3.2 聲波測試,a,37,兩條泄洪洞無壓段多點位移計布置有4個斷面，每個斷面布置3套，每套內(nèi)4個測點，采用BWC-4100型差阻式多點位移計。錨桿應(yīng)力計與多點位移計配套布置，每個斷面仍布置3套，每套內(nèi)2個測點，采用MG-28A型差阻式錨桿應(yīng)力計。數(shù)據(jù)測量采用五芯測法，采用SQ-5數(shù)字電橋進(jìn)行電阻比、電阻值、反測電阻比及芯線電阻的測量。 實測數(shù)據(jù)反映，2#泄洪洞K1+226樁號