安世亞太：地下廠房系統(tǒng)圍巖穩(wěn)定三維彈塑性分析

1、安世亞太：地下廠房系統(tǒng)圍巖穩(wěn)定三維彈塑性分析         1前言    某抽水蓄能電站位于我國(guó)東北地區(qū)，樞紐建筑物主要由主壩、副壩、輸水系統(tǒng)和地下廠房等組成。地下廠房?jī)?nèi)安裝四臺(tái)單機(jī)容量為300MW的水泵水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電最小凈水頭403.40m，發(fā)電最大凈水頭447.30m，抽水最大揚(yáng)程455.90m，抽水最小揚(yáng)程416.60m；發(fā)電最大引用流量4×77.51m3/s,抽水最大流量4×68.0m3/s。廠房洞室系統(tǒng)是一組空間立體交叉的地下洞室群。廠房洞室系統(tǒng)布置以廠房、主

2、變室、尾閘室為核心，三大洞室從上游向下游依次平行布置，廠房各主要洞室的洞軸線方位角均確定為NW311°。廠房從右到左依次為安裝間、主機(jī)間、副廠房。主廠房洞室尺寸150.50m×24.00m×53.40m，副廠房洞室尺寸24.00m×24.00m×31.50m，主變室洞室尺寸114.55m×20.00m×22.70m，尾閘室洞室尺寸100.0m×7.0m×28.00m，主變室軸線與廠房軸線間距61m，尾閘室軸線與主變室軸線間距41.00m。廠房主機(jī)間與主變室之間的巖體開(kāi)設(shè)母線敷設(shè)通道，布置了四條垂直廠軸線的

3、母線洞，母線洞洞室斷面為8.20m×9.00m，洞室軸線間距22.50m。    廠房系統(tǒng)位于輸水隧洞中部的山體內(nèi)，軸向N W 311°，埋深300m310m，地下水位高出廠房洞室拱頂290m左右，圍巖為新鮮白崗花崗巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬、完整。巖體中節(jié)理不甚發(fā)育，主要為走向N10°30°W，傾向NE或SW，傾角70°85°和走向N55°80°W，傾向NE或SW，傾角70°85°兩組，間距一般為1m2m，大者達(dá)5m左右，多呈閉合狀態(tài)。緩傾角節(jié)理只偶有分布，但延伸不長(zhǎng)。廠址地段

4、主要通過(guò)有f31、f32、f33、f34四條小斷層破碎帶，其中f33、f34為裂隙狀小斷層，寬僅3mm5mm，延伸不長(zhǎng)。    廠房部位地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果為：最大主應(yīng)力12.2MPa，方向N71°W，與廠軸夾角22°，近水平，最小主應(yīng)力5.7MPa。巖石抗拉強(qiáng)度7.95MPa，抗壓強(qiáng)度106MPa。    2研究目的及內(nèi)容    地下廠房系統(tǒng)施工期圍巖的整體安全穩(wěn)定問(wèn)題是控制水利水電工程建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題之一，國(guó)內(nèi)外大型地下洞室群都要采用地下廠房巖石力學(xué)試驗(yàn)、地應(yīng)力測(cè)試、試驗(yàn)洞現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、工程巖

5、體分級(jí)、有限元數(shù)值計(jì)算等多種手段，對(duì)地下廠房圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行綜合分析和研究，其中整體圍巖穩(wěn)定彈塑性有限元計(jì)算方法已經(jīng)逐漸成為地下廠房圍巖穩(wěn)定分析的一個(gè)必選項(xiàng)目。    根據(jù)地下廠房系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件和施工運(yùn)行特點(diǎn)，該地下洞室群的整體圍巖穩(wěn)定計(jì)算將重點(diǎn)研究地下廠房等大跨度洞室高邊墻、主廠房與主變隔墻、頂拱、洞室交叉口、斷層、地質(zhì)構(gòu)造帶和其它重要部位巖體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定問(wèn)題，對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變和變形的分布特征、施工成洞條件、整體安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，進(jìn)行地下洞室群圍巖變形預(yù)測(cè)研究。    計(jì)算時(shí)重點(diǎn)模擬地下廠房系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)形式、廠區(qū)附

6、近的主要地質(zhì)構(gòu)造，考慮初始地應(yīng)力對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，考慮對(duì)圍巖穩(wěn)定有利的各洞室開(kāi)挖方式及開(kāi)挖順序，通過(guò)選取不同的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行洞室圍巖穩(wěn)定的對(duì)比分析。    3  研究方法    ANSYS程序功能完善，成果可靠，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛、最具有權(quán)威性，并通過(guò)ISO9001認(rèn)證的大型有限元計(jì)算軟件。為用戶(hù)提供了一百多種單元，所建模型能較全面地反映真實(shí)的工作狀態(tài)，幾乎能覆蓋所有工程問(wèn)題。ANSYS程序可研究多種材料非線性，如：塑性、蠕變、粘塑性等。    非線性有限元增量形式的基本方程為: 

7、60;  ki=Ri+Rp+R(1)    式中：R為迭代過(guò)程中產(chǎn)生的不平衡力,Ri為荷載增量,Rp為非線性等效結(jié)點(diǎn)荷載:    Rp=eeCeBTpdv    p=Dpi-1              (2)    由此可得:    i=i-1+i    i=i-1+i 

8、60;          (3)    由（1）（2）（3），可通過(guò)多次迭代，求得非線性有限元的單元應(yīng)力、應(yīng)變和結(jié)點(diǎn)位移。    巖石按理想彈塑性材料考慮，使用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，考慮了由屈服而引起的體積膨脹。其等效應(yīng)力的表達(dá)式為:    e3m+             

9、0;                (4)    其中: m平均應(yīng)力或靜水壓力     S偏差應(yīng)力    材料常數(shù)    MMises屈服準(zhǔn)則中的M    上面的屈服準(zhǔn)則是一種經(jīng)過(guò)修正的Mises屈服準(zhǔn)則，它考慮了靜水應(yīng)力分量的影響，靜水應(yīng)力（側(cè)限壓力）越高，則屈服強(qiáng)度越大。  

10、  材料常數(shù)的表達(dá)式如下：                                               

11、    (5)    材料的屈服參數(shù)定義為                                                 (6)    其中：C為凝聚力，內(nèi)摩擦角（DP材料的輸入值）。    屈服準(zhǔn)則的表達(dá)式如下：    &#